陳 燕

(蘇州大學(xué)附屬蘇州第十中學(xué)，江蘇 蘇州 215006)

1 引言

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是高中物理教學(xué)的重、難點內(nèi)容.教材中多采用定性實驗.筆者創(chuàng)新設(shè)計了能夠定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律的實驗，引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，感受科學(xué)探究的精神.

2 創(chuàng)新研究

2.1 實驗策略(圖1)

圖1

2.2 實驗過程

人教版2019年新教材選擇性必修第2冊的第2章第2節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”中問題“穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合回路中就有感應(yīng)電流.感應(yīng)電流的大小跟哪些因素有關(guān)呢”，由定性的實驗得出感應(yīng)電流的大小與磁通量的變化率有關(guān).

教材中的“做一做”實驗，實驗裝置如圖2所示，線圈的兩端與電壓表相連.強磁體從長玻璃管上端由靜止下落，穿過線圈.分別使線圈距離上管口20 cm、30 cm、40 cm和50 cm，記錄電壓表的示數(shù)以及發(fā)生的現(xiàn)象.

圖2 探究感應(yīng)電動勢實驗裝置圖

分別改變線圈的匝數(shù)、磁體的強度，重復(fù)上面的實驗，得出定性的結(jié)論.

2.2.1 實驗裝置需改進處

(1) 玻璃管沒有固定，不穩(wěn)定，做實驗時不方便操作.

(2) 改變線圈與上管口距離,操作時麻煩.

(3) 感應(yīng)電動勢用電壓表測量可視度差，指針偏轉(zhuǎn)的示數(shù)左右晃動.

(4) 只能定性探究，得出定性的結(jié)論.

2.2.2 創(chuàng)新改造設(shè)計(圖3)

圖3 探究感應(yīng)電動勢實驗自制裝置

(1) 將豎直有機玻璃管固定.

將一個豎直窄條形木板用螺絲固定在一長方形的木板底座上，做成一個T型架裝置[圖3(a)]，再用兩半圓形銅片，擰緊螺絲將豎直玻璃管[圖3(b)]固定在豎直木板上,玻璃管下端離開底座適當(dāng)?shù)母叨?

(2) 繞制線圈并將線圈位置固定.

用絕緣細漆包銅線[圖3(c)]在玻璃管下端固定處繞制線圈.

(3) 自主選擇線圈的匝數(shù).

從繞制的線圈中不同匝數(shù)處抽出細漆包銅導(dǎo)線連接到不同接線柱上[圖3(d)]，線圈一端連接在最左端黑接線柱上，另一端抽出的不同匝數(shù)的細漆包銅導(dǎo)線分別連接在右端不同的紅接線柱上，可以自主選擇線圈的匝數(shù)，操作方便.

(4) 改變相同強磁鐵[圖3(e)]的個數(shù)來改變磁體的強度.

改變相互吸引在一起的強磁鐵個數(shù)實現(xiàn)改變磁體的強度，操作簡單方便.

(5) 海綿緩沖裝置保護強磁鐵.

我們選擇合適厚度和彈性的海綿，將它固定在正對玻璃管下端的底座上[圖3(f)]，讓下落的強磁鐵能陷在海綿里不反彈，強磁鐵不會受損.

(6) 把線圈連接的電壓表改為數(shù)字示波器[圖3(g)].

普源示波器-DS1052E擁有高靈敏度和高便攜性,獨特的波形錄制和回放功能.通過實時采樣，可在示波器上觀察更快的信號.易于捕獲和分析波形,清晰的液晶顯示和數(shù)學(xué)運算功能，便于更快更清晰地觀察和分析信號問題.可以動態(tài)顯示、記錄感應(yīng)電動勢隨時間變化圖線.

我們將所用儀器改進設(shè)計，自制如圖3的實驗裝置，簡潔大方、操作方便、便于攜帶，并將定性探究實驗變?yōu)槎刻骄繉嶒?，探究更為?yán)謹(jǐn)、精確.

第一個強磁鐵上端固定有小圓環(huán)，可以用細線系住，提住細線，可以從不同高度釋放強磁鐵，之后可以拉動細線，強磁鐵緩慢向上穿過線圈，不會在數(shù)字示波器上顯示感應(yīng)電動勢的值，將強磁鐵提升到相應(yīng)高度，方便操作.可以將不同個數(shù)的強磁鐵從長玻璃管上端不同高度由靜止下落穿過線圈，還可以改變線圈的匝數(shù)，用數(shù)字示波器動態(tài)顯示感應(yīng)電動勢的大小和方向，將感應(yīng)電動勢變化的圖線記錄下來，讀出感應(yīng)電動勢的峰值.用近似的方法，取峰值的一半為感應(yīng)電動勢的平均值.

用控制變量法研究感應(yīng)電動勢(平均值)大小與磁鐵的強度、磁通量變化時間Δt(由強磁鐵距離線圈靜止下落的高度即磁鐵經(jīng)過線圈時的運動速度決定)、線圈匝數(shù)的關(guān)系.重復(fù)上面的實驗，得出實驗結(jié)論.

2.2.3 實驗操作

(1) 探究感應(yīng)電動勢大小與穿過線圈的磁通量變化快慢的關(guān)系.

① 探究感應(yīng)電動勢E大小與相同時間內(nèi)磁感應(yīng)強度變化ΔB大小的關(guān)系.

在線圈橫截面積一定的情況下，磁感應(yīng)強度正比于穿過線圈的磁通量，磁感應(yīng)強度的變化率正比于磁通量的變化率.即在一定時間內(nèi)，磁感應(yīng)強度的變化反映了磁通量的變化.

線圈匝數(shù)為50匝不變；強磁鐵下落高度為0.8 m不變.

探究結(jié)果：改變相同強磁鐵的個數(shù)，依次取2個、3個、4個、5個、6個強磁鐵從0.8 m高度靜止釋放，通過同一匝數(shù)為50匝的線圈，分別得到如圖4示波器所示的從左往右對應(yīng)的第2條、第3條、第1條、第5條、第4條電動勢的實驗圖線(一大格示數(shù)為50 mV)，對應(yīng)如表1所示數(shù)據(jù)，描繪出如圖5所示的E-ΔB圖線，即E-ΔΦ的關(guān)系圖線.

表1 E大小與強磁鐵個數(shù)(相同時間內(nèi)ΔB大小)的數(shù)據(jù)

圖4 示波器所示電動勢的圖線

圖5 平均感應(yīng)電動勢E大小與強磁鐵個數(shù)關(guān)系圖線(E-ΔB圖線類似)

強磁鐵從同一高度下落，經(jīng)過線圈的速度相同，即經(jīng)過線圈的時間Δt相同.在實驗誤差允許范圍內(nèi)，E大小與強磁鐵個數(shù)即相同時間內(nèi)ΔB大小(穿過線圈磁通量的變化量ΔΦ)成正比.從實驗結(jié)果的圖線上可以看出，當(dāng)磁鐵個數(shù)增加為5個、6個，感應(yīng)電動勢的測量值偏小，誤差隨磁鐵個數(shù)增加而增大，原因是磁鐵個數(shù)增大較多，磁鐵穿過線圈的時間增大，即磁通量變化的時間Δt增大，所以感應(yīng)電動勢的測量值偏小.

② 保持ΔB(ΔΦ)不變，探究感應(yīng)電動勢大小與磁通量變化時間Δt的關(guān)系.

線圈匝數(shù)為50匝；強磁鐵個數(shù)為6個.即保持ΔB(ΔΦ)不變.

表2 感應(yīng)電動勢E與v的數(shù)據(jù)

圖6 示波器所示電動勢的圖線

(2) 探究感應(yīng)電動勢大小與線圈匝數(shù)的關(guān)系.

強磁鐵個數(shù)為6個；強磁鐵下落高度為0.2 m.

6個強磁鐵，從距離線圈0.2 m的高度由靜止下落，從繞制的線圈中不同匝數(shù)處連接到不同接線柱上，可以自主選擇線圈的匝數(shù)分別為50匝、100匝、150匝、200匝，分別得到對應(yīng)如圖8示波器所示的從左往右數(shù)第4條、第1條、第3條、第2條的電動勢變化圖線(一大格示數(shù)為100 mV),讀出示數(shù)得到表3所示的E與匝數(shù)N的數(shù)據(jù)，用計算機畫出圖線，在實驗誤差允許的范圍，擬合得到E與N成正比關(guān)系，E與N的圖線為經(jīng)過坐標(biāo)原點的直線，如圖9所示.因為相同的6個強磁鐵，穿過線圈磁通量的變化量ΔΦ和變化所用的時間Δt都相同，即ΔΦ/Δt相同，不存在系統(tǒng)誤差.所以如圖9所示的E與N的圖線為經(jīng)過坐標(biāo)原點的直線，E與N成正比關(guān)系，實驗數(shù)據(jù)與實驗規(guī)律吻合很好.

表3 感應(yīng)電動勢E與N的數(shù)據(jù)

圖8 示波器所示電動勢的圖線

圖9 E-N的圖線

2.3 實驗總結(jié)

3 總結(jié)

以上對教材中的“做一做”實驗的創(chuàng)新設(shè)計,能夠克服教材中原有實驗裝置的不足之處，定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律，為課本教學(xué)插上翅膀，提高了教學(xué)效果.源于教材，不拘泥于教材，自制實驗教具，從定性到定量進行科學(xué)探究，拓展創(chuàng)新，親身體驗探究過程，總結(jié)探究結(jié)果.

致謝：感謝房慶安老師的鼎力相助，在創(chuàng)新實驗設(shè)計、自制教具過程中給予指導(dǎo)和技術(shù)支持.