DIS系统在“法拉第电磁感应定律”中的应用

王岚

摘 要：在传统的教学实验中，“法拉第电磁感应定律”往往都是由教师直接给出最后的定律内容，这样的实验过程使得学生真正参与探究的部分非常少。而DIS系统可以通过传感器快速获取并处理实验数据，弥补传统教学实验的不足，并且便于对实验进行改进、创新。

关键词：DIS系统；实验；创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2018）11-032-1

DIS是一个用传感器获取信息，经数据采集器后由计算机对信息进行数据和图形处理的教学技术平台。使用DIS系统可以实现将数据采集、数据处理变得更为简单，节省出更多的时间可以用于给学生进行实验的设计和改进，从而让学生体验到更多的实验探究的乐趣和成就感。

一、实现更为简单的数据采集

针对《法拉第电磁感应定律》一课中传统的教学实验的弊端，我和同组教师首先在试验中做了初步的实验改进。

在这个实验中，我们可以使用刻度尺调节磁铁下落高度，进而控制磁通量的变化时间，同时使用电压传感器来测量线圈的感应电动势。通过DIS系统实验图线的变化，我们可以更为直观地看到实验过程中的感应电动势的大小变化，点击鼠标右键还可以选择查看图线上某一点的具体值（包括时间和感应电动势），这样学生就能够观察到更为直观的数据。而且这个实验是在传统教学实验的基础上稍微做了一些改进，操作难度不大，可以让学生自己设计完成。

二、实现简化的数据处理过程

在能够方便、直观的采集到实验数据的基础上，还可以通过DIS系统对数据进行处理，这可以让学生能够在有限的时间内得到更为具体的实验结论，为此我们又进行了下面的实验。

这个实验中同时采用了电压传感器和光电门传感器，当磁通量变化相同时可以得到感应电动势和时间的关系。进入配套的电磁感应定律数据采集系统，实时采集数据后，就可以非常方便、直观的看到实验结论。这样就可以省去大量的数据处理时间，适合教师进行演示教学。

但是，在这个实验过程中我们遇到了一些困难和阻碍。首先，这个实验装置是有内接电压传感器的，只需要外接光电门传感器就可以同时得到感应电动势和对应时间的数据，但是在实验中我们发现这仅有的一套装置的内接电压传感器和配套的应用程序无法进行数据连接，系统显示为没有接入传感器。经过多次尝试无果后，我们只好改用外接电压传感器的方法。但是本套器材没有提供外接插孔，我们开始通过缠绕金属丝的方法将电压传感器和装备连接起来，但是读出的电压值出现了负值：即线框以相同的速度方向切割磁感线，而输出电压有时为正，有时为负。

经排查，问题没有出现电压传感器本身。我们初步猜测是线圈下落过程会带动传感器接头，读出电压值出现了不稳的现象，多次出现了负值。

因此我们采用胶带缠绕等固定方法，电压读数不稳的现象得到了改善，所测电压出现负值的几率明显变小，但似乎还是无法完全消除出现负值的情况。

此外，排除无效数据之后，我们又发现获得的图像明显与纵轴出现交点，而不是接近或通过原点。我组教师结合实验进行研讨，在保证磁通量一定的情况下，排除无效数据之后，图线斜率理论上应该不会出现太大偏差。所以出现与坐标轴交点，应该是图像出现平移。那么在采集数据中感应电动势和时间值，到底是哪个数据出现了偏差呢？

考虑线圈内阻的情况下，我们可以分析得到实验获取的感应电动势的值应比实际值偏小，那么图像要整体向下平移，会与横轴有交点，而不是与纵轴有交点。而时间值的获得主要依靠光电门传感器，线圈下落时携带的挡板通过光电门的时间被记录为磁通量的变化时间，那么这两个时间是否真的完全对应上了吗？我们注意到，光电门在上方放置位置较高，这意味着挡板通过光电门时的时间会略大于真正的磁通量的变化时间。那么整体图像将相对于理论值向左平移，会与纵轴出现交点。当我们将光电门位置适当下调后，情况得到了一定的改善，获得了更为理想的图像结果。

由此，我们又想到，可不可以再对实验进行进一步的改进设计？前面的实验中，由于线框带动电压传感器的接线运动，导致电压值读取出现不稳，那么是否可以让线框不动，换成磁铁运动呢？那么，我们就可以让学生结合电压传感器和光电门传感器进行讨论，从而进行新的实验设计。

三、实现教学实验的改进、创新

由于在上个实验中，我们认为电压读数偶尔出现负值主要是因为线圈下落過程，电压传感器连线会发生震动。因此，我们设计了如下实验。

开始的几次实验中，我们只是将线圈简单进行了固定，然后连接电压传感器。让小车带动磁铁相对线圈发生运动。通过改变轨道倾角，进而改变磁铁相对线圈的运动时间。开始几次得到的数据图线。但有些点明显没有在一条直线上，应该是斜率出现偏差，也就是说磁通量的变化量可能不完全相同。我们观察发现，通过导轨上的坐标刻度，可以看到每次碰撞后线圈都出现了明显的挪位，这可能是导致磁通量变化量不同的原因。于是我们将线圈位置固定在导轨末端，来减少线圈被撞挪位的现象。之后，我们得到了更为准确的数据图像。

同时，我们在实验中发现，小车速度越大时，读出的电压似乎更容易出现不准确的现象，比如时间变短了，电压也变小了。我们经过分析认为，应该是由于撞击力度越大时，电压传感器接头也会受到明显震动，导致电压读数出现偏差，但是没有再出现电压负值的情况。相对于上一实验，有了一定的改善。但是由于实验用到的线圈匝数较多，内阻稍大一些，图线会明显与横轴出现交点。

在这几次实验中，我感到，在我们有限的课堂教学时间内，完全可以尝试通过DIS系统的应用把学生从繁琐的数据收集和数据处理中解放出来，让更多的学生参与到实验的设计和创新中来。当然这其中也需要教师不断进行探索、试验，结合不同的实验目的进行相应的实验教学。