电磁感应实验设计与实现お
何雨轩
0引言[HJ1.05mm]
法拉第电磁感应定律是电磁学中的一个重要内容，在物理教材中，通过用条形磁铁插入、拔出串接了灵敏电流表的闭合线圈定性实验，分析插拔磁铁的快慢与灵敏电流表指针摆动的幅度关系，得出“闭合线路内，磁通量的变化率越大，线圈的匝数越多，产生的感应电动势也就越大”的结论.在此定性实验的基础上，教材中直接引出了法拉第电磁感应定律.显然，上述方法省略了“E与n、ΔΦ/Δt 成正比关系：E=nΔΦ/Δt， E：感应电动势（V），n：感应线圈匝数，ΔΦ/Δt：磁通量的变化率”这一量化结论的实验研究过程.由于采用手动操作改变ΔΦ/Δt，并且灵敏电流表的指针是瞬时晃动的，实验操作、观察都存在一定的局限.本文用充磁器和可拆交流演示变压器分别设计并实现电磁感应的定性和定量实验.
充磁器结构简单，重量轻、操作方便，在物理实验室中主要是为给条形磁铁充磁，也可为U形磁铁充磁，是学校实验室中必备的器材，一种器材多种用途，它产生磁场的磁感应强度比一般永久式磁铁高许多，因此，可以用来定性地演示许多电磁学实验，它是定性实验电磁感应较好的方法.
常见的定性实验不能进行进一步的探究.利用可拆交流演示变压器可以定量进行试验研究，通过反复实践，设计出了验证法拉第电磁感应定律的创新实验方法.
1用充磁器实现电磁感应实验设计
1.1充磁器
充磁器是一种快速饱和充磁设备，是一种多种用途器材，它的作用就是给磁铁上磁，磁铁在刚生产出来，[TP1GW138.TIF，Y#]并不具备磁性，必须通过充磁器充磁后才能带磁.充磁器示意图如图1所示，由于充磁器结构上的原因，每次实验通电时间一般不超过几秒钟，否则，升温过快会损坏充磁器.
1.2用充磁器定性的演示法拉第电磁感应定律
用充磁器实现法拉第电磁感应实验示意图如图2所示.[HJ1mm]
（1）将合适的U形软铁棒套上事先绕上两组不同匝数线圈的纸筒，线圈匝数分别为n1和n2（n2>n1），然后插入充磁孔内固定，如图2所示，接通充磁器电源，可见连在匝数线圈为n2上的演示电表V2指针摆幅大些，说明感应电动势和线圈匝数n成正比关系E∝n.
（2）将合适软铁棒放入充磁孔内，让连有演示电表V1（或V2）的线圈n1（或n2）分别快速、慢速穿入软铁棒，可见演示电表指针摆动幅度大些、小些，说明感应电动势与闭合线圈内磁通量的变化率成正比关系E∝ΔΦ/Δt.
2用可拆交流演示变压器设计电磁感应实验
2.1实验原理与实验设计
用可拆小变压器等实验器材实现法拉第电磁感应实验示意图如图3所示.
根据变压器的工作原理，当交流电通过原线圈n1时，闭合铁芯中将产生峰值稳定交流变化的磁通量变化率ΔΦ/Δt.如果水平移动变压器上端的横铁轭，铁芯不再完全闭合，一部分磁感线外泄，使铁芯中的ΔΦ/Δt变小，如图3所示.按照上述操作，可改变ΔΦ/Δt的大小.若抽动横铁轭到某一固定位置不动，此时的ΔΦ/Δt比较稳定.
2.2实验过程的实现
为了操作方便，将副线圈放在右手侧，同时在实验中注意安全，勿用身体接触原线圈中的交流电，实验过程如下：
2.2.1定性探究感应电动势E与磁通量变化率ΔΦ/Δt之间的关系
如图3所示，将多用表V调至交流电压10 V档，与4.5 V小灯泡并联，串接到副线圈n2，原线圈n1接入交流220 V.当横铁轭完全闭合在铁芯上时，多用表电压档测出副线圈中产生4.5 V的感应电压.将横铁轭从原线圈端向左缓慢地水平移动，4.5 V小灯泡逐渐变暗，当横铁轭移动离铁芯约4 mm时，观察电压读数降到3 V左右.利用上述直观的现象，通过思考该现象产生的原因并进行分析验证，可以得出结论：感应电动势E与横铁轭的水平移动有关，横铁轭的移动快慢不同，使磁通量变化快慢不同，产生的电动势大小也不同.磁通量变化快慢类比于速度变化快慢，用ΔΦ/Δt表示，电动势大小与ΔΦ/Δt有关，ΔΦ/Δt越小（大）， E越小（大）.
2.2.2定量探究感应电动势E与匝数n的正比关系
去掉副线圈，换上长导线缠绕在铁芯上替代副线圈，将导线两端与小灯泡串接成闭合线路，并将多用表与小灯泡并联.
将横铁轭开口距离调至约4 mm后固定不变，开始缠绕导线，由于在n2铁芯上下位置不同，ΔΦ/Δt略有差异，所以选择在n2铁芯下部的同一位置附近缠绕导线，随着缠绕在铁芯上的线圈匝数增多，可观察到小灯泡从不亮到亮的变化过程：在线圈绕到第6匝时，小灯泡微微发光；当线圈绕到25匝左右时，小灯泡已经比较亮了.在绕线过程中，观察多用表上交流电压读数，发现每多绕一匝导线，感应电动势约增大0.1 V，可得出感应电动势E与匝数n的定量关系.同时观察到：从铁芯上逐渐解开缠绕的导线到第4匝时，小灯泡仍微微发光，而在缠绕到第4匝时，小灯泡却并不发光，说明有自感作用.
通过上述实验，进一步进行分析探究：假设每一匝线圈内的磁通量的变化率为ΔΦ1/Δt，对应产生的感应电动势为E1，则每多绕一匝线圈，ΔΦ/Δt就增大一个单位ΔΦ1/Δt，线路中感应电动势也增大一个E1，由此得出量化的结论：电路中感应电动势的大小，跟磁通量的变化率成正比.
即[JZ][WB]E∝ΔΦ/Δt，
[DW]E=kΔΦ/Δt[JY]（1）
若E、ΔФ、Δt均取国际单位，上式中k=1，
由此得出[DW]E=ΔΦ/Δt[JY]（2）
若闭合电路有n匝线圈，则E=nΔΦ/Δt[JY]（3）
3结束语
通过用充磁器和可拆交流演示小变压器两种简单的装置创新设计的实验和实践，验证了感应电动势与闭合线圈内磁通量的变化率和线圈匝数成正比关系.加深了对法拉第电磁感应定律的理解，熟悉了实验器材的使用，有利于提高动手能力、观察能力和思维能力.也为电磁感应在实际生活中的应用提供了有效的借鉴意义.
在实验设计和实现过程中，得到我老师的大力支持和帮助，在此表示衷心感谢！
0引言[HJ1.05mm]
法拉第电磁感应定律是电磁学中的一个重要内容，在物理教材中，通过用条形磁铁插入、拔出串接了灵敏电流表的闭合线圈定性实验，分析插拔磁铁的快慢与灵敏电流表指针摆动的幅度关系，得出“闭合线路内，磁通量的变化率越大，线圈的匝数越多，产生的感应电动势也就越大”的结论.在此定性实验的基础上，教材中直接引出了法拉第电磁感应定律.显然，上述方法省略了“E与n、ΔΦ/Δt 成正比关系：E=nΔΦ/Δt， E：感应电动势（V），n：感应线圈匝数，ΔΦ/Δt：磁通量的变化率”这一量化结论的实验研究过程.由于采用手动操作改变ΔΦ/Δt，并且灵敏电流表的指针是瞬时晃动的，实验操作、观察都存在一定的局限.本文用充磁器和可拆交流演示变压器分别设计并实现电磁感应的定性和定量实验.
充磁器结构简单，重量轻、操作方便，在物理实验室中主要是为给条形磁铁充磁，也可为U形磁铁充磁，是学校实验室中必备的器材，一种器材多种用途，它产生磁场的磁感应强度比一般永久式磁铁高许多，因此，可以用来定性地演示许多电磁学实验，它是定性实验电磁感应较好的方法.
常见的定性实验不能进行进一步的探究.利用可拆交流演示变压器可以定量进行试验研究，通过反复实践，设计出了验证法拉第电磁感应定律的创新实验方法.
1用充磁器实现电磁感应实验设计
1.1充磁器
充磁器是一种快速饱和充磁设备，是一种多种用途器材，它的作用就是给磁铁上磁，磁铁在刚生产出来，[TP1GW138.TIF，Y#]并不具备磁性，必须通过充磁器充磁后才能带磁.充磁器示意图如图1所示，由于充磁器结构上的原因，每次实验通电时间一般不超过几秒钟，否则，升温过快会损坏充磁器.
1.2用充磁器定性的演示法拉第电磁感应定律
用充磁器实现法拉第电磁感应实验示意图如图2所示.[HJ1mm]
（1）将合适的U形软铁棒套上事先绕上两组不同匝数线圈的纸筒，线圈匝数分别为n1和n2（n2>n1），然后插入充磁孔内固定，如图2所示，接通充磁器电源，可见连在匝数线圈为n2上的演示电表V2指针摆幅大些，说明感应电动势和线圈匝数n成正比关系E∝n.
（2）将合适软铁棒放入充磁孔内，让连有演示电表V1（或V2）的线圈n1（或n2）分别快速、慢速穿入软铁棒，可见演示电表指针摆动幅度大些、小些，说明感应电动势与闭合线圈内磁通量的变化率成正比关系E∝ΔΦ/Δt.
2用可拆交流演示变压器设计电磁感应实验
2.1实验原理与实验设计
用可拆小变压器等实验器材实现法拉第电磁感应实验示意图如图3所示.
根据变压器的工作原理，当交流电通过原线圈n1时，闭合铁芯中将产生峰值稳定交流变化的磁通量变化率ΔΦ/Δt.如果水平移动变压器上端的横铁轭，铁芯不再完全闭合，一部分磁感线外泄，使铁芯中的ΔΦ/Δt变小，如图3所示.按照上述操作，可改变ΔΦ/Δt的大小.若抽动横铁轭到某一固定位置不动，此时的ΔΦ/Δt比较稳定.
2.2实验过程的实现
为了操作方便，将副线圈放在右手侧，同时在实验中注意安全，勿用身体接触原线圈中的交流电，实验过程如下：
2.2.1定性探究感应电动势E与磁通量变化率ΔΦ/Δt之间的关系
如图3所示，将多用表V调至交流电压10 V档，与4.5 V小灯泡并联，串接到副线圈n2，原线圈n1接入交流220 V.当横铁轭完全闭合在铁芯上时，多用表电压档测出副线圈中产生4.5 V的感应电压.将横铁轭从原线圈端向左缓慢地水平移动，4.5 V小灯泡逐渐变暗，当横铁轭移动离铁芯约4 mm时，观察电压读数降到3 V左右.利用上述直观的现象，通过思考该现象产生的原因并进行分析验证，可以得出结论：感应电动势E与横铁轭的水平移动有关，横铁轭的移动快慢不同，使磁通量变化快慢不同，产生的电动势大小也不同.磁通量变化快慢类比于速度变化快慢，用ΔΦ/Δt表示，电动势大小与ΔΦ/Δt有关，ΔΦ/Δt越小（大）， E越小（大）.
2.2.2定量探究感应电动势E与匝数n的正比关系
去掉副线圈，换上长导线缠绕在铁芯上替代副线圈，将导线两端与小灯泡串接成闭合线路，并将多用表与小灯泡并联.
将横铁轭开口距离调至约4 mm后固定不变，开始缠绕导线，由于在n2铁芯上下位置不同，ΔΦ/Δt略有差异，所以选择在n2铁芯下部的同一位置附近缠绕导线，随着缠绕在铁芯上的线圈匝数增多，可观察到小灯泡从不亮到亮的变化过程：在线圈绕到第6匝时，小灯泡微微发光；当线圈绕到25匝左右时，小灯泡已经比较亮了.在绕线过程中，观察多用表上交流电压读数，发现每多绕一匝导线，感应电动势约增大0.1 V，可得出感应电动势E与匝数n的定量关系.同时观察到：从铁芯上逐渐解开缠绕的导线到第4匝时，小灯泡仍微微发光，而在缠绕到第4匝时，小灯泡却并不发光，说明有自感作用.
通过上述实验，进一步进行分析探究：假设每一匝线圈内的磁通量的变化率为ΔΦ1/Δt，对应产生的感应电动势为E1，则每多绕一匝线圈，ΔΦ/Δt就增大一个单位ΔΦ1/Δt，线路中感应电动势也增大一个E1，由此得出量化的结论：电路中感应电动势的大小，跟磁通量的变化率成正比.
即[JZ][WB]E∝ΔΦ/Δt，
[DW]E=kΔΦ/Δt[JY]（1）
若E、ΔФ、Δt均取国际单位，上式中k=1，
由此得出[DW]E=ΔΦ/Δt[JY]（2）
若闭合电路有n匝线圈，则E=nΔΦ/Δt[JY]（3）
3结束语
通过用充磁器和可拆交流演示小变压器两种简单的装置创新设计的实验和实践，验证了感应电动势与闭合线圈内磁通量的变化率和线圈匝数成正比关系.加深了对法拉第电磁感应定律的理解，熟悉了实验器材的使用，有利于提高动手能力、观察能力和思维能力.也为电磁感应在实际生活中的应用提供了有效的借鉴意义.
在实验设计和实现过程中，得到我老师的大力支持和帮助，在此表示衷心感谢！
