法拉第电磁感应定律定量演示实验

袁维兵

摘要：对“法拉第电磁感应定律”的实验进行研究开发，现有教材既没有对法拉第电磁感应定律进行严密推导又没有实验定量演示，很不利于教师教和学生学。而法拉第电磁感应定律又是高考重点。该项目设计通过磁铁的自由落体运动穿过线圈产生感应电动势，从而产生感应电流。将感应电动势与磁通量变化率的关系转变为感应电流与磁铁穿过线圈时的速度的关系，更近一步转化为感应电流与物体下落位移的关系。再通过实验用的数字电表测感应电流，直尺测物体位移就很直观的看出了感应电动势与磁通量变化率的关系。改变了由直接向学生传授定律向学生实验探究的转变，既提高了学生的学习兴趣和理解能力;又让学生学习了实验设计的方法。让学生对法拉第电磁感应定律的理解更加完美。

关键词：自由落体运动;感应电动势;磁通量变化率;速度;位移

1.研究目的及意义

经多次的高中课程改革，接触到几种不同时期不同版本的教材，都没有一种教材有对法拉第电磁感应定律的定量演示（或学生）实验。而且课本对于这节知识缺乏严密的理论推导。也就是学生在本节学习中既缺乏严密的理论推导又无实验探究。很不利于教师的教和学生的学。因此设计一个有效而直观的实验，让每一位同学和老师都能够轻松愉快的在实验探究中理解法拉第电磁感应定律中感应电动势与磁通量变化率的关系，这样就让学生很容易就突破了电磁感应现象。也就突破了高考的一个重点和难点。

2.设计思路

原型启发：在一次改装用铜管演示楞次定律时，受到启发能不能用磁铁的自由落体运动穿过线圈产生感应电动势，而将感应电动势与磁通量变化率的关系转变为感应电流与物体位移的关系。

设计思路：让磁铁在塑料管中自由落体运动穿过线圈产生感应电流，我们就比较线圈在S.S/2.S/4三处的感应电流与物体位移的关系。这样就让实验器材最简化，实验现象最直观，又便于实验操作，满足每一位同学和老师都能进行操作，而且可以反复操作，成功率达到100%。

3.设计原理

原理：设线圈半径r，导线电阻率为ρ，导线横截面积为s

则：线圈中的感应电流：（外部直接接灵敏电流计并且忽略电表内阻）

由此式可看出（1）电流与实验线圈的匝数无关，线圈的电阻率越小，线圈半径越小，导线粗一点。感应电流越大，实验现象越明显。

（2）在线圈参数一定时，感应电流与磁通量变化率成正比。

磁铁每次从高处自由下落到穿入线圈时，穿过线圈的磁通量变化率最大，此时电流表的读数最大。我们就比较每次电表的读数最大值。

磁铁每次从高处自由下落到穿入线圈时，每次穿过线圈的磁通量变化量是相同的，但由于下降高度不同，磁铁穿过线圈的速度不同，而每次磁铁穿入线圈的位移相同而且还比较小，磁铁在这短暂的时间内速度的变化很小，（由于安培力很小因而它的作用可以忽略）。所以磁铁穿入线圈的时间与它的瞬时速度成反比。即磁铁穿入线圈时的速度越大，穿过线圈的磁通量的变化越快，磁通量的变化率就越大。而磁铁穿入线圈时的速度与位移的二分之一次方成正比，因而我们只需验证感应电动势（或感应电流）的大小与磁铁位移的二分之一次方是否成正比

4.设计方案

实验器材：铁架台 Ø32mm塑料管线圈数字电表导线条形磁铁

操作步骤：

（1）先将线管固定在铁架台上，线圈穿过线管固定在线管下端，并用重锤线检查线管是否竖直。

（2）再连接好电流表，并将表选擇在AC200mA档。

（3）将磁铁多次从线管上端同一位置由静止释放，记下此时电流表的最大值。

（4）将线圈移至线管1/4（或1/2）处重复试验。

（5）比较前后两次电流表的最大读数之比与磁铁位移的二分之一次方的关系并得出实验结论。

（6）整理器材。

5.实验效果

教师直接到装修市场买部分Ø32mm的线管，线圈可以用实验室可拆变压器的原副线圈，经过简单制作处理即可使用，学生分小组探究，反复操作效果非常好，再把分析过程留给学生交流讨论，学生直观感受深刻，分析也非常到位。教室里面直接放在讲台上操作即可，全班同学都能很清楚的看到整个过程，效果很好。