一道高考试题的实验探究

浙江省奉化中学(315500) 吴齐全

1 问题的来源

题目：用如图1所示的装置做“探究感应电流方向的规律”实验，磁体从靠近线圈的上方静止下落。在磁体穿过整个线圈的过程中，传感器显示的电流i随时间t的图像应该是( )。

图1 题目装置

试题解析：这是一道浙江省高考试题，以“探究感应电流方向的规律”实验为基础，延伸拓展到分析电流大小和方向，对学生的综合分析能力提出了很高的要求，是一道难得考察实验的好题。根据法拉第电磁感应定律，小磁铁在线圈上端的时候速度小，磁通量变化慢，对应的感应电流小，在线圈中间的时候，磁通量几乎保持不变，电流为零，在线圈下端时，速度大，磁通量变化快，对应的感应电流大，再根据楞次定律，不难得到正确的答案是A。这样的分析当然没有错，但不少学生可能和我一样有一种想法，实验结果真的如此吗？命题老师是通过理论分析得到的结果还是通过真实实验得到的结果呢？带着疑问和困惑，和4位高三学生一起，开启了一次探究之旅。

2 实验探究过程

(1)第1次尝试：走进学校数字化实验室，利用 朗威DISLab电流传感器，找到“探究感应电流方向的规律”中的线圈，按照试题中图1连接电路，打开电脑，把条型磁铁从线圈上方一定高度静止释放，得到的结果如图2所示。采样频率为5 kHz，电流大小范围-200 mA～200 mA。

图2 第1次尝试实验结果

实验的结果出乎意料，与试题中A答案对比，发现差距还是很大。电流形状类似正弦交流电，曲线也比较圆滑，电流为零值是一个点，而不是试题当中的一段区域，电流的正负最大值区别也不是很明显。为什么会是这个结果呢？经过学生们的讨论分析，大家一致认为是线圈太短了，磁铁穿过线圈的时间非常短，直接影响了结果。

(2)第2次尝试：这时有一个学生提议，用2个相同的线圈叠加在一起，线圈长了，结果应该接近真实，如图3所示。连接好电路，采样频率、电流大小都没有改变，得到结果如图4所示。

图3 两个相同的线圈叠加

图4 第2次尝试实验结果

这个结果更加令我们大跌眼镜。我们经过思考讨论和认真分析，主要有两个问题：①电流开始是负的，后来是正的。形成的原因是磁铁释放时，N极和S极无意间互换了。②图像呈现跌宕起伏的变化。两个线圈叠加在一起，长度确实变长了，但中间形成了一段没有线圈的“真空”区域，正是因为没有线圈的“真空”区域，导致磁通量变化跌宕起伏。

探究的结果变化莫测，反而激起了学生们追求真理的决心。要想得到理想的实验结果，首先必须找到一个合适的线圈。

(3)第3次尝试：我们找到实验员老师，询问有没有很长的线圈，得到没有的答复后，决定自制一个线圈。实验室没有漆包线，只能自己动手把通电导线绕制成长长的线圈，在绕制过程中，因为外面有塑料皮，根本无法固定。于是选择一根较长的空心绝缘管，在其外层绕上线圈，同时用502胶水进行固定，最后大家齐心协力制成的线圈如图5所示。

图5 自制线圈

连接电路，采样频率设置为5 kHz，电流的大小-2 A～2 A(采样电流变大了，因为高度高了，速度大了，感应电流也变大了)。得到的实验结果如图6所示，与试题的答案A符合得非常完美。

图6 第3次尝试实验结果

3 总结和反思

在实验过程中，我们使用了3种磁体，如图7所示。条型磁铁太长，需要的线圈非常长，这时自制线圈就不好操作了。强磁体的磁性太强，我们在释放的时候，居然会被铁架台吸引，导致无法下落；同时强磁体太小了，在释放的过程中会在空中翻滚，导致实验结果也很奇怪。最好是两头尖的椭球型磁体，长度适中，释放的时候也不会翻转，而且阻力小，上面数据都是用这个磁体采样的。

图7 磁体

我们采集了非常多的数据，在对数据分析的过程中，发现每次最大电流的数值都不一样，这是因为释放的高度不同，速度不同，磁通量变化率不同。仔细观察图5线圈，上面有一段预留的管道，就是为了控制每次从同一点释放，解决电流最大值不同的问题。

自制的线圈特别的长，最后电流采样是用-2A～2A，比开始的时候大了10倍，有学生提议，可以参照伽利略斜面实验，把线圈倾斜，减小磁体下落的速度，采样电流减小，最后的实验结果也证实了这一想法。

实验最终的结果令人满意，过程的曲折恰恰体现了科学探究的结果具有不确定性，探究花费大概3节课的时间，但是这个时间花得非常的值得，我们感受到探究的快乐，真实体会到科学研究的不易。