法拉第电磁感应定律4种定量探究方案的课堂实践对比

施 坚

(江苏省梁丰高级中学,江苏 张家港 215600)

法拉第电磁感应定律4种定量探究方案的课堂实践对比

施 坚

(江苏省梁丰高级中学,江苏 张家港 215600)

新课改督促教师大胆创新,鼓励探究,人教版“法拉第电磁感应定律”是一节物理规律新授课,但教材并没有展开规律的探究过程,这需要教师进行教材的二次开发.本文对法拉第电磁感应定律的4种定量或半定量探究方案的课堂实践进行了对比分析．

定性;定量;实验探究;课堂

某市举行的“关于法拉第电磁感应定律”4节“同课异构”名师课堂展示,现场先后4位教师均分别从定性实验分析探讨影响感应电动势大小的因素,猜想感应电动势与相关量的可能数学关系,再设计定量实验,验证感应电动势与相关量的具体关系,各具匠心地设计了4种截然不同的定量或半定量的研究方案,亮点纷呈．

方案1.可拆变压器+小灯泡

1.1 实验器材

可拆交流演示变压器1个,多用电表1只,小灯座1个,3.8 V小灯泡1只,长约3 m的导线1根,220 V交流电源.

1.2 实验原理

图1

1.3 实验过程

步骤2:除去副线圈,换上长导线缠绕在铁芯上代替副线圈,并将导线两端与小灯泡串接成闭合线路,同时将已调至交流电压挡的多用电表与小灯泡并联,将横轭开口距离调至3 mm左右．随着缠绕在铁芯上的线圈匝数增多,可以观察到小灯泡从不亮到亮的变化过程;在绕到第4匝时,灯丝微微发光;当线圈绕到20匝左右,小灯泡已经比较亮了．绕线过程中,观察多用电表上交流电压读数,发现每多绕一匝导线,感应电动势约增大0.1 V,可得出E与n成线性递增关系．

误差分析:缠绕导线时,开口处的铁芯内上、下不同的位置,磁感线的分布有所不同,从而影响各处的ΔΦ/Δt．因此,在实验中应尽量使导线绕在铁芯下部的同一位置附近．同时,该实验中变压器原线圈所接为220 V市电,因此实验过程应考虑安全和迅速,这也给整个实验的仪表示数读取和记录提出了较高的要求,某种程度上也增加了误差．而且,由于自感作用,环绕导线中会产生反电动势,因此电压表的示数会有一个逐渐增大的过程．

方案1简单直观,带给学生比较震撼的物理现象,能有效地激发学生的学习热情,但让学生进行科学探究参与程度不是很高,而且学生对相关知识的掌握不足可能会导致教师的预设和学生的理解的脱节．因此,该实验中“横轭抽动”和“环绕线圈点亮小灯泡”作为课堂引入实验来引发学生进行“感应电动势可能影响因素的猜想”更为合适些．

方案2.帧分析+传感器

2.1 实验器材

可拆交流演示变压器2个,灵敏电流计2只,示波器1台，条型磁铁3根,导线若干,苹果手机(或IPAD)一部,苏威尔数据采集器和毫伏电压传感器.

2.2 实验原理

根据闭合电路欧姆定律,感应电流的大小总是与感应电动势成正比,即可采用灵敏电流计偏转格数来代替感应电动势的大小．因为所用线圈均是铜导线制作,可视作内阻不计．若要探究感应电动势E与磁通量变化量ΔΦ的关系,应该控制线圈匝数不变和插(拔)用时Δt不变,改变磁铁的条数并从同一位置完成完整插入(或拔出)以实现磁通量变化量ΔΦ成倍变化,插(拔)快慢不变可以人为地控制同一人的最快速度,同样通过记录灵敏电流计偏转格数(或示波器示数)以代表感应电动势E的大小．

2.3 实验过程

步骤1:帧分析瞬时值实现突破E∝ΔΦ实验“困难点”．教师启发并汇总学生在教材E∝ΔΦ探究实验方案中遇到的困难:因为偏转太快，灵敏电流计偏转格数很难正确读取； 插(拔)快慢Δt不变仅以同一人的最快速度来控制,很难把握……

教师启发并演示“杆连磁铁拔出”实验(如图2):对“两根条形磁铁同一高度自由落体运动时间一定相同”进行逆向思维,即通过条形磁铁条数的不同(一端夹有一根磁铁,一端夹有两根磁铁)来实现ΔΦ的倍数关系,通过杆连磁铁同时从线圈中拔出来突破时间Δt相同这一“困难点”,并借助苹果手机的iTools软件的镜像及慢镜头播放两大功能,以便观察灵敏电流计偏转格数(即感应电动势E的大小),多次对比读取两表偏转格数,得出几乎全过程两表的平均值倍数关系．实验结论:两根磁铁实验时对应的灵敏电流计偏转格数分布是一根磁铁时的1倍到3倍之间,多数在2倍左右,即在误差允许范围内,可以粗略认为感应电动势E与磁通量变化量ΔΦ成正比,即E∝ΔΦ．

图2

图3

步骤3:借助毫伏电压传感器,换用2倍匝数的线圈(均视作为电阻可忽略),实验方法同于步骤2的落体运动或斜面下滑运动,控制磁通量变化量ΔΦ和快慢时间Δt不变,探究感应电动势E与匝数n的关系,如图4所示,后者峰值为前者2倍．实验结论:在误差允许范围内,当匝数2倍时,感应电动势为前者的2倍,即E∝n．

图4

误差分析:在步骤1中有多处引起误差的可能原因: ① 由于磁感应强度为矢量,两根条形磁铁叠放时磁感线的分布已经不是一根条形磁铁的磁感线简单的2倍关系．② 一根磁铁相对于线圈的几何位置与两根磁铁相对于线圈的几何位置有一定的差异,导致拔出过程磁通量的变化量不完全是2倍关系．③ 实验过程中偏转格数读取的误差．④ 用手控制杆的上提过程不一定完全水平．在步骤2中,条形磁铁初始下落高度不同时,其实对应后续实验涉及的ΔΦ已不完全相同,只是差异不是很大,是一种较为粗略的方案．另外,整个实验方案都把线圈的电阻视作为零,从而认为灵敏电流计偏转格数正比对应于感应电动势的大小,这显然也是一种较为粗略的对应关系,因为实际线圈电阻不可能为零,而且线圈匝数越多电阻越大,只是这些电阻对于灵敏电流计而言显得相对还是比较小的．这些误差教师需要向学生交代和分析,可以有效培养学生观察和分析问题中思维的严谨和深度．

方案3.光电门与毫伏电压传感器同步

3.1 实验器材

苏威尔数据采集器、光电门传感器、毫伏电压传感器、磁场传感器、方形线圈(可更换)、小车、轨道、挡光片、条形磁铁等.

图5

3.2 实验原理

将方形线圈的接线柱与毫伏电压传感器相连,并设置与光电门传感器同步采集,即实现自动在挡光片挡光始、末之间进行数据采集．其中毫伏电压传感器内阻很大,而方形线圈的电阻很小,因此组成的回路中获得的感应电动势可以认为即为毫伏电压传感器的电压示数．

3.3 实验过程

图6

步骤2:探究感应电动势与匝数n的关系．轨道末端适当垫高,在某处静止释放小车,在软件界面上读取感应电动势的数值;换用2倍匝数的线圈(均视作为电阻可忽略),注意外形和尺寸和原来的方形线圈尽量一致,在轨道的相同位置再次静止释放小车,再次读取感应电动势的数值,几乎为前者的2倍．即可认为在误差允许范围内,感应电动势与线圈匝数成正比,即E∝n．

步骤3:探究感应电动势与磁通量变化量ΔΦ的关系．更换外形相同但磁感应强度不同的条形磁铁(可课前用磁场传感器在距离磁铁相同距离情况下先行测定,得到对应的倍数关系),同于步骤2在一端垫高的轨道上某处静止释放,来分别读取感应电动势的数值,发现两次感应电动势的倍数关系几乎同于磁铁的磁感应强度的倍数关系．即可认为在误差允许范围内,感应电动势与磁通量变化量成正比,即E∝ΔΦ．

误差分析:方案3相对于方案2,因为所用是毫伏电压传感器,其内阻非常大,因此线圈电阻显得非常小,即使是换匝数稍多些的线圈,也可以忽略,因此感应电动势的读数更为精准．因为使用的是数据采集器,即使是在光电门与电压传感器同步的情况下,快速滑动小车可能会带来响应不及时,还有小车上遮光片微小晃动影响挡光时间,这些都会带来一定的误差．

方案3借助光电门与毫伏电压传感器同步功能巧妙而直观地读取了挡光片挡光过程中的电动势,而且由于光电门获取速度利用了v=Δx/Δt,即为平均速度,因此实际上电压传感器读取的是平均电动势,但由于软件过于智能化,学生没有看到这样的一个处理过程,可能会认为读取的是过程中的电动势最大值,因此需要教师在实验过程中向学生讲清．但这个方案相对误差比较大,绘制的E-v图像的直线距离原点有一定偏差,需要进一步改进实验方案．

方案4.自制“法拉第电磁感应定律定量实验仪”教具+传感器

4.1 实验器材(核心部件)

自制“法拉第电磁感应定律定量实验仪”教具(TSUKASA驰卡沙7字形、24 V全金属减速电机1部,电机调速板1块,联想19 V、3.42 A笔记本电源1组,数字转速计配霍尔探头1组,如图7所示),铜丝绕制的20匝、50匝、100匝方形线圈各1个、柱形强磁铁一枚,苏威尔数据采集器、毫伏电压传感器、磁场传感器．

图7

4.2 实验原理

利用减速电机调速旋钮可以实现圆周运动转速n的变化,其中图中横杆右侧有一强磁性柱形小磁铁(可更换磁感应强度不同的磁铁),当它在减速电机的带动下每旋转一圈经过图中霍尔探头元件时,霍尔探头内会产生一个较强电流脉冲,从而实现计时功能;横杆右侧磁铁旋转经过上方方形线圈(可插拔更换为20匝、50匝、100匝等不同匝数)时,线圈内磁通量发生变化,线圈回路中产生感应电动势．而方形线圈的接线柱与数据采集器和毫伏电压传感器相连后,因为其中毫伏电压传感器内阻很大,方形线圈的电阻却很小,因此组成的回路中获得的感应电动势可以认为即为毫伏电压传感器的电压示数．

4.3 实验过程

步骤1:教师介绍感应电动势产生的本质是线圈中的磁通量发生变化,可以是磁铁的纵向靠近或远离,还可以是横向靠近或远离,直线或圆周,从而引出自制教具“法拉第电磁感应定律定量实验仪”并简要介绍其工作原理．

图8

图9

步骤3:探究感应电动势与磁通量变化量的关系．更换外形相同但磁感应强度不同的柱形强磁铁(可课前用磁场传感器在距离磁铁相同距离情况下先行测定,得到对应的倍数关系),分别约为0.018 T和0.012 T,即约为1.5倍关系．教师引导启发学生设计探究思路:选择某转速(例如49.8 r/min),分别在转动杆末端相同位置放上上述两强磁铁,并分别采集和读取t轴上方图像的感应电动势平均值(例如分别为29.99 mV和20.12 mV),对比前后两次感应电动势平均值关系,即几乎也为1.5倍关系．实验结论:在误差允许范围内,感应电动势E与磁通量变化量成正比,即E∝ΔΦ．

步骤4:探究感应电动势与线圈匝数的关系．换用同外形、同材料的50匝方形线圈,同样采集转速n′(例如76.9 r/min)时的感应电动势,对比前后读取感应电动势平均值(例如分别为35.03 mV和17.89 mV),几乎为2倍关系．实验结论:在误差允许范围内,感应电动势E与匝数n成正比,即E∝n．教师引导:是否能从理论上加以证明感应电动势E与匝数n的正比关系?(教师演示导线在空方框上的绕制过程以启发学生)得出结论:线圈每一匝之间是串联,而在相同时间内每一匝都会有相同的磁通量变化,产生了相同的感应电动势,因此,总的感应电动势是每匝的累加,即感应电动势E与匝数n成正比．

误差分析:方案4相对于方案3有了进一步的优化，从EXCEL图像可以直观地看到正确率更高,这应该与电机精准的转速测定有关,而且这个实验装置相对于方案3更具有稳定性．

方案4突破了前面3个方案较为模糊的感应电动势平均值概念,通过传感器软件精确选取读数很好地实现了可视化．另该方案引入了理论探究感应电动势与匝数n的关系,可以让学生对规律的理解更为深入,也突破了实验结果受数据和次数的局限性．

科学思维和实验探究是物理学科核心素养最为重要两大因素,这也决定了物理规律的得出过程不应是简单地教师推导,而应成为学生在教师引导下的“再创造”和思维进阶的过程,无论是定性到定量,还是实验结合理论,以及多种方案的评价对比,都是新课改应该可以尝试的方向．

2017-02-12)

本文系江苏省教育科学“十二五”规划2015年度重点课题“核心素养导向的高中物理图景教学实践研究”(编号:B-b/2015/02/133)和江苏省中小学教研2015年度立项课题“新课程高中物理试题探究能力考查的应用研究”(2015JK11-L085)阶段性成果之一．