利用DIS探究法拉第电磁感应定律

2020-05-23陈晓平

物理之友 2020年4期

陈晓平

(浙江省海宁中学，浙江嘉兴 314400)

1 问题的提出

法拉第电磁感应定律是研究电磁感应的基础，是电磁学部分的核心内容。人教版的教材上只是陈述德国物理学家纽曼和韦伯对理论和实验资料进行严格分析后，得出了法拉第电磁感应定律，教材中也没有相关实验的介绍。笔者认为教材对这么重要的一节内容做这样的处理是欠妥当的。法拉第电磁感应定律作为一个实验定律，必须要通过实验探究获得结论才能使学生信服，才符合学生的认知规律。

2 用DIS突破传统实验的难点

利用传统实验器材，产生的感应电动势和感应电流都不够大，很难用电表测量，获得精确数值。而且产生的感应电流一直在变化，用传统电表测量，无法使指针停留在一个确定的数值，所以对实验探究带来了较大的困扰。

利用DIS实验的电压传感器和微电流传感器，可以测量微小的感应电动势和感应电流，并且可以让感应电动势和感应电流随时间变化的信息用图像显示在电脑屏幕上，可以看到电压和电流随时间变化的精确信息，为法拉第电磁感应定律的探究提供了良好的条件。

3 定性探究

为了快速且准确地获得实验结论，可以通过倍增法来进行探究。如成倍改变线圈匝数n、成倍改变线圈的面积S等，再结合控制变量法来探究，获得实验结论。

4 探究实验设计

4.1 探究E与n的关系

把匝数分别为100、150、200的线圈绕在PVC管上，三个电压传感器分别接在三个线圈上，让一个强磁铁从管道上端释放，磁铁穿过线圈时产生的感应电动势如图1所示。由图1可知，感应电动势的比值与匝数的比值吻合，由此可说明，在磁通量变化率一定的前提下，感应电动势E与线圈匝数n成正比，即E∝n。

图1

图2

4.2 探究E与Δt的关系

保证线圈匝数n、线圈面积S、磁感应强度变化ΔB相同，探究E与Δt的关系。在距离透明PVC管上端分别为h1=10cm、h2=40cm、h3=90cm处放置3个相同尺寸的300匝线圈，让强磁铁从管道上端做自由落体运动。根据运动规律v2=2gh可知，磁铁经过三个线圈时的速度之比为1∶2∶3，则磁铁穿过三个线圈的平均时间之比为6∶3∶2。

三个电压传感器分别接在三个线圈上，磁铁从上端静止释放后，磁铁经过三个线圈，获得的感应电动势图像如图2所示，根据实验数据可知，感应电动势峰值之比E1∶E2∶E3=1∶2∶3，根据比例关系可知，感应电动势E与时间Δt成反比，即E∝1/Δt。

4.3 探究E与B的关系

保持线圈匝数n、线圈面积S、时间Δt不变，探究E与B的关系。要实现磁场的倍增，难度较大。如果用叠加磁铁的方法，不能保证两个磁铁的磁感应强度是相同的，而且叠加后也不能保证成两倍关系。

改用通电螺线管来产生磁场，使流过通电螺线管电流的比值为1∶2，产生的磁场的比值就是1∶2。用软弹簧挂住螺线管，在螺线管下方放置一个线圈，线圈两端连接一个微电流传感器。往下拉螺线管，放手后让螺线管上下做简谐运动，控制螺线管通电的电流之比为1∶2，在线圈中产生感应电流，感应电流图线如图3所示。由图3可知，感应电流的峰值之比为1∶2，则感应电动势之比也为1∶2，由此可知，感应电动势E与磁感应强度B成正比，即E∝B。

图3

4.4 探究E与S的关系

保持线圈匝数n、磁感应强度B、时间Δt不变，探究感应电动势E与有效面积S的关系。如果线圈面积之比为1∶2，则线圈的电阻不同，对实验结果会产生影响。把两个完全相同的线圈捆在一起，并将其中的一个沿中线折90°，使有效面积之比为1∶2，实验装置如图4所示，这样的线圈电阻也相同，根据测得的感应电流的比值，来判断感应电动势与面积的关系。