法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪

彭钟樊,代 伟，王 丹，邹 勤，王玉涵

(西华师范大学 物理与空间科学学院,四川 南充 637002)

法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪

彭钟樊,代 伟，王 丹，邹 勤，王玉涵

(西华师范大学 物理与空间科学学院,四川 南充 637002)

针对传统的法拉第电磁感应定律演示装置只能进行定性或半定量分析的问题，设计了法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪，该实验装置不但能更好的演示法拉第电磁感应定律，而且还可完成定量分析和探究，演示效果好，定量分析精确度高，值得在中学物理教学中推广.

法拉第电磁感应；感应电动势；磁通量

法拉第电磁感应定律是中学物理电学部分中重要的电学定律，以往在教学过程中，由于没有专门的设备，教师们往往只是对照课本的图例进行讲解，由于没有形象的演示，学生对于法拉第电磁感应定律的印象不深刻，效果较差,即使有实验演示，也往往都是使用条形磁铁、线圈和灵敏电流计按照教材中所示的方法来完成，只能粗略地进行定性演示，无法证明电动势的大小与磁通量变化量和时间的比值及电磁感应线圈的匝数成正比.新课改要求让学生在自己定量探究的前提下自己得出法拉第电磁感应定律，学会科学探究的方法，传统的装置无法满足课改的要求.为了让学生对法拉第电磁感应定律进行精确的定量探究，笔者设计了法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪，该实验装置不但能更好地演示法拉第电磁感应定律，而且还可完成定量分析和探究.

1 实验原理

法拉第电磁感应定律分析探究演示仪利用控制变量法进行实验探究,分别探究磁感应强度、磁铁切割线圈的速度(电磁线圈切割磁感线的速度关系)和线圈的匝数与感应电动势的关系.通过改变纽扣磁铁的数量来改变切割电磁感应线圈的磁感应强度；通过调压调速改变电机的转速可探究磁场切割电磁感应线圈的速度变化时线圈中感应电动势的变化；通过改变测量线圈的抽头可探究线圈感应电动势与匝数的关系.

2 法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪实验装置

1.底座 2.立板 3.可调稳压直流电源 4.测量用电磁线圈 5.挡圈 6.调速电机 7.调压开关 8.电源总开关 9.直流电机正反转开关 10.测量线圈抽头接线柱 11.强力纽扣磁铁 12.亚克力板 13.演示用电磁线圈 14.发光二极管 15.装饰纸 16.数据采集系统 17.显示器图1 仪器结构图

法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪装置结构如图1所示，实物如图2所示.仪器的底座上安装竖直立板，立板上部中心位置安装直流调速电机(型号为XD-3420,额定电压选12 V，电机的调压范围为5～30 V，电机的空载转速选3 000 r/min),在立板正面以电机轴为中心安装4个电磁感应线圈，上面3个线圈匝数均为1 000匝，最下方的线圈为测量线圈，有400,600,800,1 000匝的中间抽头.在电机轴上固定一长条形的亚克力板，板的两端各开3个圆孔，便于安放纽扣磁铁.在每个演示线圈的外圆方向安装1组如图3所示的反向并联的红、绿2种颜色的发光二极管，用来演示感应线圈中感应电动势大小和方向的变化.测量线圈中所产生的感应电动势通过朗威电压传感器进行测量，通过电脑数据处理软件完成数据采集和测量任务.

图2 仪器实物图 图3 二极管接线图

3 定量探究法拉第电磁感应定律

表与1/Δt关系的测量数据

图与1/Δt关系图

保持线圈的匝数、截面不变，当N=400匝，电机电压10 V时，改变磁铁个数，探究磁通量ΔΦ变化时电磁线圈产生的感应电动势ε的变化规律.当纽扣磁铁个数i分别为1,2,3个时,改变ΔΦ测得的感应电动势ε如表2所示.

表2 N=400匝，电机电压10 V，改变磁铁个数测得的ε

图与ΔΦ关系

当磁铁个数为3个，线圈截面不变，电机电压10 V，改变线圈匝数N，探究N与电磁线圈产生的感应电动势ε关系，当线圈匝数为400,600,800,1 000匝时测得的实验数据如表3所示.

表3 纽扣磁铁3个，电机电压10 V，改变线圈匝数测得的ε

图与N的关系图

4 法拉第电磁感应定律的演示

演示时为了观察磁场切割感应线圈时感应线圈中有感应电动势产生，采取的技术方案是按图3所示的线路将红绿发光二极管反向并联后再与演示感应线圈串联，当磁铁靠近线圈时红光二极管发光，当磁铁离开线圈时绿光二极管发光，改变电机的转速，发光二极管的频闪速度和亮度也随着改变，如果将电机反转，观察到的实验现象与正转刚好相反.

5 仪器优点

1)仪器结构紧凑，既可以定量分析探究法拉第电磁感应定律，又可演示法拉第电磁感应定律，一物多用，节约资金.

2)探究测量和演示过程中磁铁切割线圈速度Δt的改变通过改变电机的电压即可实现，通过改变磁铁的个数改变ΔΦ，可通过换接抽头接线柱简单完成感应线圈匝数的改变，实验操作简便.通过红绿发光二极管的亮度变化就可明显观察到感应电动势大小和方向改变.

3)实验数据的采集和测量通过朗威电压传感器和计算机结合就能将所需实验数据保存在电脑中，既可以观察感应电动势的波形又方便实验数据处理.

[1] 赵亚兵，张涛.利用变压器演示电磁感应定律[J].教学仪器与实验,2014，31(3):29-30.

[2] 唐挈.“ε=Δφ/Δt”的定量教学与研究[J].物理通报,2002(2):27-28.

[3] 韩仁隆.电磁感应(系列)演示器的自制和应用[J].实验教学与仪器，2010,27(2):43-45.

[4] 杨保河.法拉第电磁感应定律演示仪研究[J].许昌师专学报(自然科学版),2001,20(5):25-27.

[责任编辑：尹冬梅]

Demonstrator for quantitative analysis of Faraday law of induction

PENG Zhong-fan, DAI Wei, WANG Dan, ZOU Qin, WANG Yu-han

(College of Physical and Spacial Science， China West Normal University, Nanchong 637002, China)

Traditional demonstrator of Faraday law of induction could provide qualitative and semi-quantitative analysis only, so a quantitative analysis demonstrator of Faraday law of induction was designed.By changing the rotate speed of electrical motor, the relation of the change rate of flux and the speed of the coil was explored.By changing the number of magnet, the relation of the change rate of flux and magnetic field strength was explored.By changing the taps of the coil, the change of the magnetic induction was explored when changing the number of coils.

Faraday law of induction; magnetic field strength; magnetic induction

2016-12-29

四川省研究生教育改革创新项目(川学位[2013]15号)

彭钟樊(1995-)，女，四川蓬安人，西华师范大学物理与空间科学学院学科教育(物理)2017级硕士研究生，研究方向为学科教育研究．

代 伟(1964-)，男，四川遂宁人，西华师范大学物理与空间科学学院教授，学士，主要从事大学物理实验教学与研究．

G633.7

A

1005-4642(2017)05-0055-03