法拉第电磁感应定律定量探究实验教具创新

摘 要：法拉第电磁感应定律作为高中物理选择性必修2中“电磁感应及其应用”主题的重要内容，充分理解和掌握该定律对于学生学好电磁学并应用其原理解决实际问题具有重要意义。对于法拉第电磁感应定律，传统的实验教具存在一些局限，大多以定性观察为主，定量探究的实验教具较少。针对现有教具的不足，在兼顾定性实验演示效果的基础上，进行了定量探究实验教具创新，创新教具结构新颖、制作简单、操作方便、演示效果好，学生容易理解，测量精度高，能很好地通过实验探究分析推导出法拉第电磁感应定律公式，可帮助学生更好地理解该定律。

关键词：法拉第电磁感应定律；定量探究；教具；创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）7-0060-4

法拉第电磁感应定律作为高中物理电磁学模块的基础定律之一，如何使学生清晰理解和掌握该定律是其作为规律教学课的重点和难点，它在现实生活中应用广泛。该定律描述了当闭合线圈中的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势的现象，应用该定律能很好地帮助学生理解和掌握电动机、发电机、变压器和感应线圈等电气设备的工作原理。由于法拉第电磁感应定律比较抽象，所以学生掌握起来有一定困难。为了在高中物理教学中帮助学生深入理解法拉第电磁感应定律，通过实验对教学内容进行探究以帮助学生构建知识。为此，本文对法拉第电磁感应定律实验教具进行了创新，创新教具将传统实验和现代测量技术有机融合，既克服了传统教具的不足，又能进行很好地演示和定量探究，这样可以帮助学生直观地理解法拉第电磁感应定律，让学生通过实验现象观察和实验数据分析归纳得出法拉第电磁感应定律公式，不用进行复杂抽象的数学推导。这样，学生就能更好地理解和应用法拉第电磁感应定律，创新教具也在促进学生自主动手探究能力和养成创新精神方面起到重要帮助。

1 教材实验的优势与局限

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出：要通过实验理解法拉第电磁感应定律［1］。人教版2019年版教材选择性必修2的第2章第2节“法拉第电磁感应定律”中展示了两种实验的方式，这两种方式虽然在电磁感应的基本原理展示上对学生有所帮助，但在提供深入理解和应用法拉第电磁感应定律方面存在一定局限。图1所示的教材演示实验，旨在阐释磁场变化如何引发感应电流产生［2］。该演示教具简单、直观，实验器材获得容易。不足在于该实验只能定性观察，不能定量探究，限制了对实验现象的深入分析。图2所示为教材“做一做”部分的实验，该实验不再单纯是传统实验的定性观察，旨在通过分别改变线圈匝数、磁体强度等因素，探究其与感应电动势大小之间的关系，最终得出定性结论［2］。该实验装置看似简单，但操作较为困难，磁铁从管中下落只穿过线圈一次，测得的实验数据也只有一组，且测量误差较大，学生从该实验装置中也观察不到线圈中感应电动势的变化情况，教具演示效果不好。

2 法拉第电磁感应定律定量探究实验教具创新

创新的法拉第电磁感应定律定量分析演示仪如图3所示，仪器底座由电工木板粘接而成，底座上水平安装一个曲柄滑杆机构，曲柄滑杆可从网上购买，滑杆的最大行程可达15 cm，曲柄滑杆机构由调速直流电机带动，可通过调节电机工作电压改变滑杆移动的速度。曲柄滑杆的前端有螺杆用于安装圆柱形磁铁，各型号的磁铁直径如图4所示。各磁铁均安装在同一规格的有机玻璃管中，通过有机玻璃管底部中心位置粘接的螺母可非常方便地将不同规格的磁铁安装在滑杆前端的丝杆上。在圆柱形磁铁左右水平移动中心线上安装中心高相同的带有不同抽头的多匝线圈，装有磁铁的有机玻璃管可在线圈中心的有机玻璃管中左右来回穿梭，线圈的几个抽头固定在底座上，线圈与红绿两种演示用的发光二极管连接线路如图5所示，当线圈中产生出感应电动势后就可使两种演示的发光二极管交替发光。这样的设计就可以通过改变电机工作电压改变磁铁在线圈中移动的速度，改变磁铁直径大小就可以改变穿过线圈的磁场强弱进而改变线圈中的磁通量，改变线圈的抽头接线就可以改变线圈的匝数，进而探究线圈中感应电动势的大小与这几个物理量之间的定量关系，通过观察发光二极管的颜色和亮度可以观察到线圈中感应电动势大小和方向的变化。线圈中产生的感应电动势的大小由朗威电压传感器展示，优点是测量精度高。创新教具旨在为学生提供一个教具结构简单、实验操作简便、测量精度高、演示现象明显的实验探究装置。教具设计简洁、美观，能充分激发学生的求知欲和实验探究热情，能很好地帮助学生深入理解法拉第电磁感应定律，并通过定量分析归纳得出法拉第电磁感应定律公式E=n·ΔΦ/Δt［3］。

该教具既可以让学生通过观察红绿两种颜色发光二极管的发光情况和亮度变化看到法拉第电磁感应现象，还可以通过控制变量法分别定量探究感应电动势大小与线圈匝数、磁体强度和磁铁穿过线圈的速度之间的关系，创新教具更有助于加深学生对法拉第电磁感应定律公式的理解，达到帮助学生建构知识的目的。

3 定性演示法拉第电磁感应定律

接通电源，保持磁铁大小、线圈匝数不变，通过调节直流调速电机的工作电压改变电机的转速，学生可以明晰地观察到电机转速越快，磁铁穿过线圈的时间越短，二极管的发光越强；保持电机转速、线圈匝数一定，改变穿过线圈磁铁的大小，学生可以明晰地观察到磁铁直径越大，二极管发光越强；在电机转速、磁铁大小一定的情况下，线圈匝数越多，二极管发光越强。通过定性演示，学生可以初步认识到线圈中感应电动势E与n、ΔΦ、Δt之间的定性关系，激发学生定量探究线圈中感应电动势E与n、ΔΦ、Δt之间定量关系的热情。

4 探究感应电动势E与n、ΔΦ、Δt之间的定量关系

4.1 保持ΔΦ、Δt不变，改变线圈匝数n，探究感应电动势E与n之间的定量关系

保证直流电机的工作电压为10 V，选择直径为30 mm的磁铁安装在滑块前端，依次改变线圈的匝数（1000、1500、2000、2500、3000）进行实验探究，通过电压传感器测得的数据如图6所示。通过观察电压随时间的变化曲线，学生可以清晰地观察到，当保持ΔΦ、Δt不变，改变线圈匝数n时，线圈中感应电动势E变化情况会不同。分析采样结果表明，线圈匝数越多，感应电动势的峰值也越高。这样的实验现象可让学生直观地感受到，当ΔΦ、Δt不变，线圈匝数n增大，线圈中感应电动势E也随之增大，通过表1测得的实验数据可充分说明法拉第电磁感应定律中线圈匝数与感应电动势大小的关联。

根据表1的数据作E与n关系图，图像如图7所示，从图中可以看出感应电动势E与感应线圈的匝数n成正比。

4.2 保持n、Δt不变，通过改变磁铁直径改变ΔΦ，探究感应电动势E与ΔΦ之间的定量关系

保持电机工作电压为10 V，线圈匝数为3000匝，在滑杆的前端分别安装直径为20 mm、25 mm、30 mm、40 mm的强磁铁，通过改变穿过线圈磁铁直径的大小，可探究穿过线圈中的磁通量变化与感应电动势之间的关系。通过改变磁铁直径d的大小，测得的线圈中感应电动势的大小随时间变化的关系曲线如图8所示。实验表明，磁铁直径d越大，线圈中感应电动势E也随之增大。通过表2测得的实验数据可充分说明法拉第电磁感应定律中穿过线圈的磁通量与感应电动势大小的关联。

根据表2的数据作E与d关系图，图像如图9所示，从图中可以看出感应电动势E与穿过线圈磁铁的直径d成正比，由于ΔΦ=ΔB·S，也间接表明E与ΔΦ成正比。

4.3 保持n、d不变，改变电机工作电压，探究感应电动势E与1/Δt之间的定量关系

保持线圈匝数n（3000匝）、磁铁直径d（30 mm）不变，通过改变电源的大小调节磁铁穿过线圈的速度以改变1/Δt的大小，将电机的工作电压分别调为6 V、8 V、10 V、12 V、14 V，定量探究感应电动势E与1/Δt的关系，通过传感器测得线圈中感应电动势大小随时间的变化曲线如图10所示。实验现象表明，随着电机工作电压的增大，磁铁在线圈中穿梭的速度越快，线圈中产生的感应电动势越大。通过表3测得的实验数据可充分说明法拉第电磁感应定律中线圈感应电动势大小E与1/Δt正相关。

根据表3的数据作E与U关系图，图像如图11所示，从图中可以看出感应电动势E与曲柄滑杆机构电机的工作电压U成正比。

综上，通过控制变量法进行定量探究可推导得出闭合线圈中感应电动势的大小与线圈匝数、磁通量的变化量以及磁铁穿过线圈的时间之间的关系，即E=n·ΔΦ/Δt。

5 结束语

物理学是一门以实验为基础的科学，离开了物理实验，物理学就不能得到发展，相应的物理教学如果不能充分利用实验开展教学，学生就不能很好地理解和掌握所学知识，也难以促进学生自主学习的内驱力。因此，在中学物理教学中，应重视实验这一环节。但是，从当前的现状来看，由于实验教具匮乏，创新实验教具少，实验仍然是中学物理教学一个很薄弱的环节。如果教师能利用一些易于获取的材料做一些有创意的实验教具来开展物理教学，这样就会让学生觉得物理就在身边，从而提高学生学习物理的兴趣，调动学生学习物理的热情。创新的法拉第电磁感应定律定量分析演示仪克服了教材和现有一些教具的不足，创新教具结构新颖、制作简单、操作方便、演示效果好，学生容易理解，测量精度高，能很好地通过实验探究分析推导出法拉第电磁感应定律公式，可帮助学生更好地理解该定律，同时该创新教具在促进学生自主动手探究能力和养成创新精神方面也起到重要帮助作用，值得在中学物理电磁学教学中推广。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理选择性必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］周雅梅，代伟，黎源逍，等.直线型法拉第电磁感应定律分析演示仪［J］.中学物理，2019，37（17）：40-42.