控制变量法定量探究“法拉第电磁感应定律”实验装置的创新

2020-09-10伊兰

高考·中 2020年6期

伊兰

摘要：创新设计了物理实验装置，结合DIS实验装置，通过控制变量法，能够清楚且定量地展示法拉第电磁感应定律中电动势与磁通量、磁通量变化的时间以及线圈匝数的关系，实验操作简单，实验原理清晰易懂。实验过程中需要学生的积极参与和配合，能够很好地锻炼他们的合作交流以及动手能力。

关键字：法拉第电磁感应定律;定量探究DIS

“法拉第电磁感应定律”是人教版物理选修3-2第四章第4节的内容，这一章节的内容是高中阶段教学的重点，但是课本中并没有设计具体的实验定量探究法拉第电磁感应定律，而是通过上一节的实验现象定性地推导出法拉第电磁感应定律的表达式，不利于学生的理解和接受，笔者创新设计实验装置，通过控制变量法，能够定量地得出法拉第的电磁感应定律的具体表达式，实验现象明显，学生容易接受，同时发展了学生的物理核心素养。

一、实验装置

將可调频的三角形锯齿波交流电源（0～12V）与电阻箱（0～100Ω）、带铁芯的螺线管、电流传感器串联，副线圈为通电螺线管和电流传感器的串联电路，将副线圈的通电罗线圈靠近原线圈，最后将电磁流量计靠近原副线圈的轴心。

二、实验原理

变化的电场产生磁场，原线圈的电阻箱可调节电路的电流，从而变原线圈磁通量的变化，原线圈的电流传感器可在电脑上显示每时每刻的电流大小和变化。电磁流量计可在电脑上显示线圈中磁通量的大小及变化规律。副线圈的感应电动势E的测量可采取间接测量方式，可知，在副线圈电阻不变的情况下电流与电压成正比，因此通过电流传感器检测出感应电流的变化规律，则可知感应电动势的变化规律。通过控制变量法，调节交流电源的频率、调节电阻箱阻值的大小、改变副线圈的匝数n，通过DIS实验仪器，检测数据的变化，观察实验数据，总结规律，得出结论。

三、探究法拉第电磁感应定律

（1）控制n与不变，探究电动势E与的关系

将原线圈的滑动变阻器阻值调到最大，闭合开关，通过DIS实验装置可显示原线圈电流随时间变化的的i-t图像，磁通量的变化规律图像以及副线圈电流随时间变化的i1-t图像，如图2所示。

从图中可以看出，又，则。

调节滑动电阻箱，改变原线圈的电流大小，则也在变化，从实验结果中仍可以看到，则。

（2）控制n与不变，探究电动势E与的关系

调节电阻箱的阻值为某一定值，之后保持电阻箱的阻值不变。第一次调节电源的输出频率，观察i1的峰值。第二次将电源的输出频率变为原来的2倍，观察i1的峰值。第三次再将电源的输出频率调为第一次的3倍，观察i1的峰值。从实验结果不难观测到随着频率的成倍增加，i1的峰值也在成倍地增加，进而得出，即，则。

（3）控制与不变，探究电动势E与n的关系

保持电源的输出频率不变，调节电阻箱的阻值为某一定值，副线圈使用100匝的线圈，闭合开关，观察i1的峰值。一次更换副线圈的匝数为200匝、300匝，再次观察i1的峰值，不难观测到i1的峰值也成倍地增加，进而得出，则。

通过实验探究得出法拉第电磁感应定律。

四、总结与评价

笔者设计的实验电路简单明了，实验过程简单，可操作性强，笔者采用了DIS实验装置，将实验结果显示在电脑屏幕上，学生能够清楚地看到图像的变化，进而进行规律的总结，得出法拉第电磁感应定律的具体表达式。实验过程中充分发挥学生的主观能动性，让学生参与到演示实验的操作过程，充分体现了物理学科的核心素养。