几种定量验证法拉第电磁感应定律实验的鉴析

唐建勋

(无锡市辅仁高级中学,江苏 无锡 214123)

人教版“法拉第电磁感应定律”这一课时的教学安排中,法拉第电磁感应定律作为实验结论是直接在教材中给出的,教材中没有展示任何演示实验或学生实验．但是该定律可以通过简单的演示实验进行验证,教学上通常的设计是利用条形磁铁、线圈和电流计,将磁铁置于线圈中插拔,通过改变插拔速度,观察电流计示数的不同,从而得出磁通量变化越快,感应电动势越大的结论.然而受制于传统的实验技术和手段,在课堂上只能对该定律进行定性研究,无法实现定量验证．随着近几年来朗威DISLab系统的推广应用,使得传统电磁类实验能够通过传感器进行连续的实验数据采集,并通过计算机对所采集的数据进行实时记录和处理,使得以往只能在专业实验室中完成的实验能在课堂上演示．目前对法拉第电磁感应定律进行定量验证的实验有若干种,本文笔者对比分析了下列各实验．

1 朗威法拉第电磁感应实验器Ⅰ

图1

如图1所示,底座A上安装竖直轨道B和长方形扁平磁铁C(磁场水平指向);线圈D可在轨道中从不同高度自由下落,线圈通过导线E连接内置在底座内的朗威电压传感器F,以确保导线不会影响到线圈的顺利下落;挡光片G固定在线圈上端;实验器底座上安装有光电门H．电压和光电门传感器均接入同样内置在底座内的实验器采集电路I,并通过USB接口J与计算机连接．

2 朗威法拉第电磁感应实验器Ⅱ

如图2所示,底座A上安装初级线圈B、次级线圈C和磁感应强度传感器D;线圈通过细导线E连接内置在底座内的电压传感器F;初级线圈由朗威智能电源G供电;实验器底座内置实验器采集电路H,并通过USB接口连接计算机．

图2

3 自由落体电磁感应实验

图3

如图3所示,将一根有机玻璃管竖直固定,在管身上标定距离刻度．在管身上套有一定匝数的线圈,同时把线圈连接至电流传感器,在计算机上显示电流i随时间t变化图像．在玻璃管口从静止释放一强磁铁,下落时穿过线圈产生感应电动势,进而产生感应电流,然后由电流传感器将电流峰值记录在DISLab软件上,如图4所示．

图4

图5

4 插拔条形磁铁电磁感应实验

图6

图7

5 旋转磁铁产生感应电动势实验(Ⅰ)

图8

图9

图10

图11

6 旋转磁铁产生感应电动势实验(Ⅱ)

上述6种实验均能对法拉第电磁感应定律进行严格的定量验证,这都归功于DISLab系统的电压传感器、电流传感器对电压、电流的实时记录,以及求平均值和求图像面积等特殊处理,突破了传统实验数据处理所无法在课堂实现的限制．但是尽管这些实验采用的数据记录和数据处理手段都是源自于DISLab系统,但是这6个实验却各有不同,它们的设计思路呈现出各自的特色．

实验1和实验2是DISLab系统自带的两套整合化的实验装置,而且其各自带有专用分析软件,其中实验1本质是动生电动势,实验2本质为感生电动势,两套装置都将各种传感器精巧地组合设计在一起,显得紧凑精准,配合提供的专用软件,是这6种实验中操作最简便快捷,数据最精确的．可也正是因为其高度的整合与精巧的设计,往往使学生在课堂上较为被动地接受了这样的实验原理和设计思路,教师进行演示时会为了追求实验原理的合理性、实验数据的精准性、实验数据获得与处理的快捷性,而缺乏对学生的思维过程的引导,所以学生虽然能较快地得到定量的结论,但给学生留白的空间太少,容易产生他们对法拉第电磁感应定律的验证知其然而不知其所以然的情况．

实验5、实验6的设计相对于实验3的速度定量更为精确且可控,误差较小;相对于实验1、实验2的教学演示更为直观清晰,可视性效果更好;相对于实验4的实验设计思路更为通俗简便,对学生的思维负担小．但对实验器材准备的条件来看,实验5和实验6是这几个实验中要求最高的,也对教师动手自制实验仪器的能力提出了较高的要求．