法拉第电磁感应定律探究实验的创新研究

2023-03-24陈燕

物理教师 2023年2期

关键词：图线磁通量匝数

陈燕

(苏州大学附属苏州第十中学，江苏苏州 215006)

1 引言

“法拉第电磁感应定律”是高中物理教学的重、难点内容.教材中多采用定性实验.笔者创新设计了能够定量探究法拉第电磁感应定律的实验，引导学生体验科学探究的过程，感受科学探究的精神.

2 创新研究

2.1 实验策略(图1)

图1

2.2 实验过程

人教版2019年新教材选择性必修第2册的第2章第2节“法拉第电磁感应定律”中问题“穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合回路中就有感应电流.感应电流的大小跟哪些因素有关呢”，由定性的实验得出感应电流的大小与磁通量的变化率有关.

教材中的“做一做”实验，实验装置如图2所示，线圈的两端与电压表相连.强磁体从长玻璃管上端由静止下落，穿过线圈.分别使线圈距离上管口20 cm、30 cm、40 cm和50 cm，记录电压表的示数以及发生的现象.

图2 探究感应电动势实验装置图

分别改变线圈的匝数、磁体的强度，重复上面的实验，得出定性的结论.

2.2.1 实验装置需改进处

(1) 玻璃管没有固定，不稳定，做实验时不方便操作.

(2) 改变线圈与上管口距离,操作时麻烦.

(3) 感应电动势用电压表测量可视度差，指针偏转的示数左右晃动.

(4) 只能定性探究，得出定性的结论.

2.2.2 创新改造设计(图3)

图3 探究感应电动势实验自制装置

(1) 将竖直有机玻璃管固定.

将一个竖直窄条形木板用螺丝固定在一长方形的木板底座上，做成一个T型架装置[图3(a)]，再用两半圆形铜片，拧紧螺丝将竖直玻璃管[图3(b)]固定在竖直木板上,玻璃管下端离开底座适当的高度.

(2) 绕制线圈并将线圈位置固定.

用绝缘细漆包铜线[图3(c)]在玻璃管下端固定处绕制线圈.

(3) 自主选择线圈的匝数.

从绕制的线圈中不同匝数处抽出细漆包铜导线连接到不同接线柱上[图3(d)]，线圈一端连接在最左端黑接线柱上，另一端抽出的不同匝数的细漆包铜导线分别连接在右端不同的红接线柱上，可以自主选择线圈的匝数，操作方便.

(4) 改变相同强磁铁[图3(e)]的个数来改变磁体的强度.

改变相互吸引在一起的强磁铁个数实现改变磁体的强度，操作简单方便.

(5) 海绵缓冲装置保护强磁铁.

我们选择合适厚度和弹性的海绵，将它固定在正对玻璃管下端的底座上[图3(f)]，让下落的强磁铁能陷在海绵里不反弹，强磁铁不会受损.

(6) 把线圈连接的电压表改为数字示波器[图3(g)].

普源示波器-DS1052E拥有高灵敏度和高便携性,独特的波形录制和回放功能.通过实时采样，可在示波器上观察更快的信号.易于捕获和分析波形,清晰的液晶显示和数学运算功能，便于更快更清晰地观察和分析信号问题.可以动态显示、记录感应电动势随时间变化图线.

我们将所用仪器改进设计，自制如图3的实验装置，简洁大方、操作方便、便于携带，并将定性探究实验变为定量探究实验，探究更为严谨、精确.

第一个强磁铁上端固定有小圆环，可以用细线系住，提住细线，可以从不同高度释放强磁铁，之后可以拉动细线，强磁铁缓慢向上穿过线圈，不会在数字示波器上显示感应电动势的值，将强磁铁提升到相应高度，方便操作.可以将不同个数的强磁铁从长玻璃管上端不同高度由静止下落穿过线圈，还可以改变线圈的匝数，用数字示波器动态显示感应电动势的大小和方向，将感应电动势变化的图线记录下来，读出感应电动势的峰值.用近似的方法，取峰值的一半为感应电动势的平均值.

用控制变量法研究感应电动势(平均值)大小与磁铁的强度、磁通量变化时间Δt(由强磁铁距离线圈静止下落的高度即磁铁经过线圈时的运动速度决定)、线圈匝数的关系.重复上面的实验，得出实验结论.

2.2.3 实验操作

(1) 探究感应电动势大小与穿过线圈的磁通量变化快慢的关系.

① 探究感应电动势E大小与相同时间内磁感应强度变化ΔB大小的关系.

在线圈横截面积一定的情况下，磁感应强度正比于穿过线圈的磁通量，磁感应强度的变化率正比于磁通量的变化率.即在一定时间内，磁感应强度的变化反映了磁通量的变化.

线圈匝数为50匝不变；强磁铁下落高度为0.8 m不变.

探究结果：改变相同强磁铁的个数，依次取2个、3个、4个、5个、6个强磁铁从0.8 m高度静止释放，通过同一匝数为50匝的线圈，分别得到如图4示波器所示的从左往右对应的第2条、第3条、第1条、第5条、第4条电动势的实验图线(一大格示数为50 mV)，对应如表1所示数据，描绘出如图5所示的E-ΔB图线，即E-ΔΦ的关系图线.

表1 E大小与强磁铁个数(相同时间内ΔB大小)的数据

图4 示波器所示电动势的图线

图5 平均感应电动势E大小与强磁铁个数关系图线(E-ΔB图线类似)

强磁铁从同一高度下落，经过线圈的速度相同，即经过线圈的时间Δt相同.在实验误差允许范围内，E大小与强磁铁个数即相同时间内ΔB大小(穿过线圈磁通量的变化量ΔΦ)成正比.从实验结果的图线上可以看出，当磁铁个数增加为5个、6个，感应电动势的测量值偏小，误差随磁铁个数增加而增大，原因是磁铁个数增大较多，磁铁穿过线圈的时间增大，即磁通量变化的时间Δt增大，所以感应电动势的测量值偏小.

② 保持ΔB(ΔΦ)不变，探究感应电动势大小与磁通量变化时间Δt的关系.

线圈匝数为50匝；强磁铁个数为6个.即保持ΔB(ΔΦ)不变.

表2 感应电动势E与v的数据

图6 示波器所示电动势的图线

(2) 探究感应电动势大小与线圈匝数的关系.

强磁铁个数为6个；强磁铁下落高度为0.2 m.

6个强磁铁，从距离线圈0.2 m的高度由静止下落，从绕制的线圈中不同匝数处连接到不同接线柱上，可以自主选择线圈的匝数分别为50匝、100匝、150匝、200匝，分别得到对应如图8示波器所示的从左往右数第4条、第1条、第3条、第2条的电动势变化图线(一大格示数为100 mV),读出示数得到表3所示的E与匝数N的数据，用计算机画出图线，在实验误差允许的范围，拟合得到E与N成正比关系，E与N的图线为经过坐标原点的直线，如图9所示.因为相同的6个强磁铁，穿过线圈磁通量的变化量ΔΦ和变化所用的时间Δt都相同，即ΔΦ/Δt相同，不存在系统误差.所以如图9所示的E与N的图线为经过坐标原点的直线，E与N成正比关系，实验数据与实验规律吻合很好.