法拉第电磁感应定律实验创新设计研究

张承祖 房庆安

(1. 苏州科技大学数理学院，江苏 苏州 215000；2. 苏州第十中学，江苏 苏州 215000)

图1 实验装置图

1 装置说明

(1) 101是教学用变频电源，已经获得国家实用新型专利，专利号：ZL 201420496643.5.它能提供频率1 Hz-10 kHz、电压0-25 V连续可调的交流变频电压，在此为振动台102提供电源之用.教学用变频电源之原理与制作可参阅文献[2].

(2) 102是教学用振动台,是一个振动源，振动台详细制作原理和方法，请参阅文献[3].在此基础上笔者又新增内置电流过载保护装置，外置机械保护装置，防止拆卸装置时用力不当损坏振动台.振动台之振动轴的振动频率和振幅(最大振幅±10 mm)由提供电源的频率和电压所决定的，在此为强磁铁103提供振动源之用.

(3) 103是强磁铁，为钕铁硼永磁体，形状为中心带孔的圆柱体，安装固定在振动台的振动轴上，在此为方形线圈104提供磁场.

(4) 104是方形线圈，为学生实验可拆变压器之线圈，将之套在强磁铁103上，匝数的多少直接影响产生感应电动势的大小，在此为产生感应电动势之用.

(5) 105是示波器，为普通模拟信号示波器(J2459)，在此为测量方形线圈104中所产生感应电动势的大小和方向之用.使用时将示波器105调整为中心小圆亮点，Y轴输入和接地分别与方形线圈104两端相接.

2 工作原理

图2 磁铁振动图像

图3 感应电动势E与时间t关系图像

图4 示波器中心亮点上下振动图像

3 使用说明

如图1连接好电路，学生示波器(J2459)和教学用变频电源分别接通220V交流电源，打开示波器的开关，聚焦成一个小圆点于屏幕中心，垂直衰减旋钮旋至1和Y增益旋钮顺时针旋到底(0.05 V/格)，学生示波器使用说明书里有详细说明；教学变频电源按ON开关，电源启动，频率选择旋钮旋至100 Hz挡，选择适当的交流电压和频率进行实验，通过采集数据进行处理和分析.详见定量分析如表1、表2.

数据采集说明： ① 由于示波器水平扫描线上下偏移只有4格，因此感应电动势的大小最大只能取±0.20 V(0.05V/格).② 为了读数方便感应电动势的大小取的是整数格.③ 振动台之振动轴上下最大振幅±10 mm，因此强磁铁的振幅受到限制.④ 由于强磁铁相对较重，在选择振动频率时尽量选得低一点，否则振动惯性太大而影响实验效果.

定量分析见表1、表2

表1 定量分析数据

表2 定量分析数据

图5

图6

在物理教学中，通过实验能够有效地解决教学中的疑点或难点，从而达到加深学生对基本概念和基本理论的理解.笔者经过多年的努力和创新，设计制作了这一款法拉第电磁感应定律实验装置.通过对教学变频电源输出电压和输出频率的控制，就能有效地控制ΔФ和Δt的变化，直接读出感应电动势的大小，并能进行有效的定量分析.充分证明了闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.