利用Arduino开源电子平台探究电磁感应定律

邹建中

摘要：定量研究法拉第电磁感应定律是高物理教学中的重点和难点，很难突破。为了让学生更好地学习并掌握该部分内容，利用Arduino开源电子平台设计制作了一套实验装置，该套装置使用电机带动磁铁在线圈上方匀速转动来产生感应电动势，通过控制线圈匝数、线圈与转轴距离、线圈面积三个因素来改变感应电动势，实现了定量探究，以Arduino为下位机采集瞬时感应电动势，在高中物理实验教学中可以广泛应用。

关键词：Arduino;法拉第电磁感应定律;高中物理;实验教学

法拉第电磁感应定律是电磁学的重要内容。特别是公式 的得出，更是教学中的重点和难点。笔者曾在《物理教师》2017年38卷第7期发表了利用数字示波器来测量感应电动势的方法，随着科学技术的发展，传感器的广泛引用，笔者利用Arduino开源电子平台设计了一套探究电磁感应定律的实验装置，现介绍如下：

一、Arduino开源电子平台介绍

Arduino硬件平台本质上是一种以AVR系列微处理为核心的单片机开发板，具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集，由于应用广泛、用户众多，配套或兼容的传感器和外围设备非常多，只要合理利用，完全可以实现中学物理实验所需要的各类功能。我们采用Arduino Uno电路板作为数据采集器，如图1。

使用Arduino作为下位机进行数据采集并输送到计算机，采用LabVIEW作为上位机进行数据处理及实时显示，两者结合既避免了采购价格昂贵的数据采集卡等硬件设备，又解决了数据实时处理及显示、记录等难题。

二、实验装置设计与测量系统搭建

实验装置如图2所示。装置可分为感应电动势产生系统和感应电动势测量系统两部分。

（1）感应电动势产生系统

如图3所示，面板上固定有采用同种漆包线绕制而成的三组线圈，面板中央的电机输出轴上固定有支架，支架上对称安裝有10片相同的厚度为2mm、长宽均为5mm的薄片状钕铁硼磁铁。面板右下方安装有电机开关，当按下开关接通电源时，电机带动磁铁匀速转动经过这些线圈正上方，线圈中产生感应电动势。

A、C组线圈固定在以转轴中心为圆心的同一圆周上。A组5个线圈均为边长4.0 cm的正方形线圈，匝数不同，分别为200匝、250匝、300匝、350匝、400匝，用于探究感应电动势和匝数的关系。C组5个线圈均为300匝，面积不同，每个线圈长边均为4.0 cm，但宽度不同，分别是2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm，安装在面板上时长边沿着圆弧切线，短边沿半径方向，这样做的目的是保证同一磁铁经过同一圆弧上的这些线圈时磁通量的变化量不同，但是磁通量的变化时间相同，探究感应电动势和磁通量变化量的关系。B组线圈匝数和面积均相同，匝数为300匝，长宽均为4.0 cm，安装在面板上以转轴中心为圆心的圆的同一条半径上，依次向外排开，线圈中心离转轴中心的距离分别是：5.5 cm、11.5 cm、17.5 cm、23.5 cm、29.5 cm，磁铁转动时5片相同的磁铁恰好可以从5个线圈的正上方经过，由于磁铁经过的线速度不同，从而磁通量变化时间不同，用以研究感应电动势和磁通量变化时间的关系。

（2）感应电动势测量系统

测量系统以Arduino Nano控制器为下位机采集数据，以LabVIEW为上位机将测量结果实时显示，在计算机上使用LabVIEW软件作为上位机，借助VISA插件与Arduino进行串口通讯，获得Arduino Nano控制器测量到的数据，同时设置好前面板用来实时显示测量到的5个线圈的感应电动势的大小。LabVIEW前面板如图5所示，LabVIEW程序框图如图6所示。

（3）使用方法说明

首先用导线将所选择的某组5个线圈的5个接线柱按照顺序与Arduino Nano控制器的模拟输入端口A0至A4连接。再使用USB电缆将Arduino Nano控制器与计算机连接，并在计算机上启动LabVIEW软件，打开该实验的VI文件，选择Arduino Nano控制器连接的串口端口。需要进行实验测量的时候按下面板上的电机开关，然后点击LabVIEW软件菜单中的运行按钮即可实时测量。

三、实验过程及结果讨论

（1）探究电动势与匝数的关系

选择A组线圈研究感应电动势和匝数的关系。A组5个线圈固定在同一个圆周上，最外侧磁铁做圆周运动经过A组线圈的时间相同。由于每个线圈的面积相同，磁通量变化量也相同。教学中某次实验测量到的数据如表1所示。使用EXCEL软件以做出散点图后可以看到数据点几乎都在一条过原点的直线上，进行线性拟合得到结果如图7所示。根据图象可以得出：感应电动势大小和匝数成正比。

（2）探究电动势与磁通量变化时间的关系

B组线圈匝数和面积均相同，对应支架上5片磁铁也相同，保证了磁通量变化量相同。由于B组各线圈到转轴中心的距离不同，支架上对应的磁铁经过时线速度不同，所以时间肯定不一样。根据圆周运动的规律，磁通量发生变化的时间 ，式中l为转过的弧长，v为转动的线速度， 为转动的半径， 为转动的角速度。磁铁经过时转过的弧长可以认为近似相等，同轴转动角速度一样，所以 和转动半径（即线圈中心到转轴中心的距离）成反比。教学中某次实验测量到的数据如表2所示。做出散点图后进行线性拟合得到结果如图8所示。根据图象可知：感应电动势大小和转动半径成正比，再结合前文分析可知感应电动势大小和磁通量变化时间成反比。

（3）探究电动势与磁通量变化量的关系

C组5个线圈匝数相同，固定在同一圆周上，由于线圈沿圆周方向均为4.0 cm，支架上外侧磁铁经过线圈时间相同，即磁通量变化时间相同。但宽度不同，因此面积不同，磁通量变化量不同。教学中某次实验测量数据如表3所示，进行线性拟合结果如图9所示。根据图象可以得出：感应电动势大小和线圈面积成正比，再结合前文分析可知感应电动势大小和磁通量变化量成正比。

（4）实验结论

由于测量系统数据测量有误差、电机转速不够稳定、线圈位置固定不够精准等原因，图8、9、10中个别数据点偏离拟合直线，但是各组实验结果的R2均大于0.99，表示线性关系较好。同时发现拟合直线并没有严格地通过坐标系原点但比较接近。因此可以认为，上述实验结果符合高中物理实验教学的要求。根据上述实验探究的结果可以总结得出法拉第电磁感应定律：感应电动势大小和匝数成正比、和磁通量变化量成正比、和磁通量变化时间成反比。

四、结语

该实验为定量探究法拉第电磁感应定律创造了条件，基于此进行法拉第电磁感应定律的实验教学有利于学生对法拉第电磁感应定律有更深刻的认识，同时实验教学过程可以提升学生的“科学探究”核心素养。

参考文献：

[1]黄琪莉，吴先球.基于LabVIEW改进法拉第电磁感应定律实验装置[J].物理实验，2020，40（01）：60-62.

[2]胡博.利用Arduino和传感器验证法拉第电磁感应定律[J].物理教学探讨，2019，37（11）：46-48.