利用DIS探究线圈中感应电流与磁通量变化的关系

王盼盼

(1. 安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000；2. 江苏省常熟市浒浦高级中学，江苏 苏州 215500)

1 引言

磁通量和感应电流是高中物理中磁场部分的重要概念，是理解电磁感应现象的基础。《普通高中物理课程标准(2017年版)》在必修3中对学生提出的要求是：知道磁通量。通过实验，了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件。知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响。[1]

在高中物理教科书中，一般采用这样的实验方法研究电磁感应现象：把磁铁的某一个磁极向线圈中插入、从线圈中抽出，或静止地放在线圈中，观察电流表的指针，记录下实验现象。[2]当电流表的指针发生偏转时，线圈中产生了感应电流，通过指针偏转方向可判断感应电流的方向。用这种方法向学生介绍感应电流，器材易获取，操作简单易实施，是目前物理实验教学的常用方法。但这种实验方法无法测量磁通量，也不可以同时观察磁通量和感应电流的变化，不利于学生理解二者的因果关系和数量关系。

笔者利用DIS系统中的微电流传感器代替电流表，以直观的图像展现感应电流I的变化，同时利用磁感应强度传感器展现磁场(磁通量)的变化，研究感应电流I与磁场(磁通量)变化的定性关系。

DIS系统对于物理实验教学有很大的辅助作用，它能够直观清晰地展示所测数据，比传统的物理实验更有魅力，能增强学生对物理的兴趣，激发学生自主探索的热情。

2 实验器材

实验器材如图1所示，由DIS系统(微电流传感器、磁感应强度传感器、数据采集器)、计算机、多匝线圈、条形磁铁等组成。多匝线圈用直径为0.4mm、长为10m的包漆铜丝绕制而成，条形磁铁的规格为100mm×20mm×7mm。如图2连接线路，将微电流传感器接在多匝线圈两端，将磁感应强度传感器的感应端竖直放置在线圈下方。

图1

图2

3 实验原理及理论分析

本实验为半定量实验，研究感应电流I与磁通量(磁场)变化的关系。线圈中条形磁铁产生的磁场方向大部分是竖直的，因此粗略地认为条形磁铁提供的磁场是沿竖直方向的。即磁通量Ф=BS，B表示测得的磁感应强度大小，S代表线圈的横截面积。

楞次定律：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

在本次实验中规定：磁场方向向下为正，感应电流方向逆时针为正。

如图3所示，将条形磁铁快速插入线圈中，再保持静止。由楞次定律可得：当条形磁铁向下插入线圈时，线圈中的磁场增强且方向向下，感应电流I的磁场要阻碍线圈中磁场增强，所以感应电流的磁场方向向上，与线圈中的磁场方向相反，感应电流方向沿逆时针方向。

图3

当条形磁铁在线圈中静止时，线圈中磁场保持不变，没有感应电流。

如图4所示，将条形磁铁快速抽出线圈，由楞次定律可得：当条形磁铁向上抽出线圈时，由于线圈中的磁场减弱且方向向下，感应电流I的磁场要阻碍线圈中磁场减弱，所以感应电流的磁场方向向下，与线圈中的磁场方向相同，感应电流方向沿顺时针方向。

图4

综上所述，线圈中的磁感应强度B的图像和感应电流I的图像在理论上如图5所示。

图5

4 实验过程

(1) 准备实验器材，连接线路。打开DIS通用软件，选择“组合图线”，添加图线1磁感应强度和图线2微电流，调零，开始实验。

(2) 如图3所示，将条形磁铁插入线圈中，保持静止一段时间，观察并记录感应电流I和磁感应强度B的图像,观察图像是否与预期一致。

(3) 如图4所示，将条形磁铁抽出线圈，观察并记录感应电流I和磁感应强度B的图像,观察图像是否与预期一致。

(4) 选择图线1磁感应强度B，选择“其他处理”中的“求导”,将磁感应强度B对时间t求导得到图线3。选择图线3，勾选“只控制选择的图线”，通过“Y缩放”和“Y平移”将图线3调整至与图线2感应电流I共零点，比较这两个图像的变化趋势是否相同。

5 实验结果

从图6与图5的比较中可以看出，磁感应强度B和感应电流I的图像与理论分析一致。即在条形磁铁插入线圈时，磁感应强度B从0增大到B0，感应电流I先从0增大到I0后减小到0。条形磁铁插入后保持静止一段时间，磁感应强度B不变，感应电流I为0。条形磁铁抽出线圈时，磁感应强度B减小到0，感应电流I先从0反向增大到-I0后减小到0。

图6

6 结语

笔者利用DIS、多匝线圈，条形磁铁等，从实验的角度研究多匝线圈中感应电流与磁通量(磁场)变化的关系，突出了感应电流的物理意义。实验以直观清晰的图像呈现结果，相较于传统的实验，DIS可使学生专注于规律的探索。