| 标题 | DIS探究法拉第电磁感应定律的实验教学 |
| 范文 | 梁沛林 摘 要：法拉第电磁感应定律是高中物理教学的难点，课堂上证明感应电动势跟磁通量变化率、线圈匝数成正比，在传统实验装置中几乎不可能实现。中学教学中往往是经过简单的定性分析后便给出电磁感应定律。本文通过DIS实验平台定量探究法拉第电磁感应定律，并利用灵敏电流传感器测量导线切割地磁场产生的感应电流。 关键词：DIS（数字化信息系统）；物理实验；电磁感应定律 中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）2-0046-4 1 教学过程 1.1 探究法拉第电磁感应定律：E=N 1.1.1 探究影响感应电动势大小的因素 实验形式：分组探究实验。 实验设备：可选择匝数的线圈、两根条形磁铁、灵敏电流表。 操作指引：通过实验桌上的器材连接电路，并想办法获得最大的感应电流。 实验反馈：因为初中已经接触过产生感应电动势的实验，所以学生很容易就能够连接好电路。但是，对两根条形磁铁的应用是难点，不少学生会把两根条形磁铁南北极对接放置，这样实验中就不能产生感应电流。此处可以让产生最大感应电流的小组上台演示，并说说自己的成功经验和结论。学生一般能够说出匝数N、速度、磁通量变化量三个因素，然而此处需要和学生共同分析速度跟磁通量变化量之间是存在关联的，可以合并为磁通量变化率。 1.1.2 探究电动势与匝数、磁通量变化率的定量关系 （1）探究感应电动势E与匝数N的关系 实验方法：控制变量法（保持磁铁穿过线圈的速度和磁铁条数不变，改变线圈的匝数）。 实验设备：如图1，包括铁架台，硬塑料管，匝数分别为400、800、1 200的三个线圈，相同的条形磁铁2条，DIS实验平台（电压传感器）。 实验原理和过程：把管道竖直固定，让同一根条形磁铁从相同高度自由下落，穿过匝数分别为400、800和1 200的线圈，通过DIS平台检测的数据进行分析。下落高度相同可以保证磁铁穿过线圈时的速度相同，磁铁条数相同保证磁铁的磁场相同。图2表示分别为400匝、800匝和1 200匝的线圈产生的感应电动势随时间变化的图像，其峰值与匝数的关系如表1所示。 实验反馈：此实验操作简单，容易获得感应电动势与线圈匝数成正比的结论。但是，由于实验中传感器有背景电流，干扰实验的精确度。要减少实验误差，首先需要让线圈紧套塑料管道，避免漏磁；其次要让磁场尽量强一点，可以减少偶然误差的影响。由于磁铁经过线圈的速度很快，而数据采集器的采样频率最大为1 kHZ，即每秒钟采集1 000个数据。峰值附近的点有时候会有漏采现象，因此为了避免速度快造成漏采数据的现象，可以采取多次测量求平均值的方法，同时下落高度也不宜太高。 （2）探究感应电动势E与磁通量变化率■的关系 ①保持磁铁穿过线圈的时间T以及线圈匝数N不变，改变磁铁条数。 实验原理与操作：磁通量变化率在实验中可以分为两部分来探讨，首先是保持匝数N和穿过线圈的时间T不变（保证下落高度H相同，则穿过线圈的速度v就相同，穿过时间T就相同）。改变磁铁的条数，一根磁铁穿过线圈磁通量变化率设为，则两根相同的磁铁同时穿过线圈磁通量变化率即为，分析磁通量变化率与感应电动势的关系。图3为一根磁铁跟两根磁铁穿过线圈产生感应电动势随时间变化的对照图，感应电动势峰值与磁通量变化率的关系如表2所示。 ②保持磁铁穿过线圈的磁通量变化Φ以及线圈匝数N不变，改变磁铁穿过的时间。 实验原理与操作：保持磁铁2条的情况下让磁铁从不同高度开始下落，下落高度H满足H1：H2：H3=1：4：9，根据自由落体速度公式，可以得到其到达线圈时的速度比为v1：v2：v3=1：2：3，由于穿过线圈的速度很快，可以忽略磁极穿过线圈过程中的速度变化，认为磁极匀速穿过线圈，因此磁通量变化率之比为1：2：3。图4分别为磁铁从H、4H和9H高度下落并穿过线圈产生感应电动势随时间的变化，感应电动势E与磁通量变化率的关系如表3所示。 实验反馈：在探究感应电动势与磁通量变化率成正比的过程中误差会相对较大，除了因为信号采集器的取样频率不够高之外还因为管道与磁铁之间存在摩擦，所以当下落高度增加到9H時，获得的电动势偏小。实验时应该可以注意管道竖直，磁铁也必须竖直下落。 实验结论：通过分别研究线圈匝数、磁铁条数以及磁铁通过线圈的速度与感应电动势的关系，能够定量地获得E∝N以及E∝的结论，结合两个正比关系得：E∝N。当电动势取单位伏特（V），磁通量变化率取韦伯每秒（wb/s）时，有E=N。这就是法拉第电磁感应定律。 1.2 影响动生电动势大小的因素 （1）推导动生电动势公式E=BLv 构建模型：长度为L的导体棒以速度v沿着水平方向匀速切割磁感线，磁感应强度为B。 推导过程： 设导体棒运动时间为t，则导体棒运动的位移d=vt 导体棒与轨道围成的线圈的磁通量变化为ΔΦ=BLvt 根据法拉第电磁感应定律E=N 得E==BLv （2）活动体验：切割地磁场发电 实验器材：长电线1根，DIS实验平台，微电流传感器。 实验过程： ①两位学生东西方向站立，手持电线两端同方向旋转电线，让电线切割地磁场，然后逐步加快旋转速度，观察感应电流的变化。感应电流的变化如图5（1）所示。 随着转速增加，周期变得越来越小的同时峰值也越来越大。可见，动生电动势的大小跟切割磁感线的导线速度正相关。 ②两位学生依然东西方向站立，匀速摇动绳子，同时逐步增大绳子长度，观察感应电流的变化。感应电流的变化如图5（2）所示。 随着电线长度的增加，波的周期几乎不变，但是波峰却在逐步增大。可见，动生电动势的大小跟切割磁感线的导线长度正相关。 ③两位学生匀速摇动绳子，并保持绳子长度不变，在摇动绳子的同时两位学生围繞两人连线的中点缓慢地做圆周运动，观察感应电流的变化。感应电流的变化如图5（3）所示。 波形呈现纺锤体随着两位学生站立的角度变化，波峰也发生变化。可见，动生电动势的大小还跟切割磁感线的速度方向有关。由于地磁场在深圳大概与南北方向平行，因此东西方向站立时导线运动速度方向跟地磁场垂直，产生的感应电流最大。相反，南北方向站立时由于导线方向跟地磁方向平行，因此几乎不能切割磁感线，产生的感应电动势很小。 2 教学反思 法拉第电磁感应定律的教学过程应用了DIS实验平台，与传统实验相比，该平台的主要优势是能够实时测量并处理电流、电压、力、位移、速度、光照度、压强、温度以及辐射强度等物理量[2]，这能大大地拓宽高中物理实验对象，尤其在电、磁实验方面优势就更加明显。例如，探究变压器原理、楞次定律、闭合电路欧姆定律以及探究地磁场等实验中DIS实验平台有优秀的表现。 DIS实验平台在教学中能够起到很好的辅助作用，学生通过实时图像能够直观地了解电磁感应的电流方向，也能够清晰地看到感应电动势跟线圈匝数成正比，跟磁通量变化率成正比，还能看到切割地磁场发电。这些直观的图像会像复印一样印在他们的记忆里，遇到涉及电磁感应现象的问题，就能够跳过理论推导过程，直接通过实验经验进行简单预判，这就是所谓的“物理直觉”的来源。学生需要大量的实验才能建立起正确的物理直觉，而DIS实验平台是个很好的帮手。 然而，在本课的教学实践中发现DIS实验平台的主要缺陷是取样频率不够高造成数据漏采，从而引起实验误差。例如，探究感应电动势与匝数成正比可以把线圈放在电磁炉中“煮”来比较不同匝数的感应电动势大小，然而电磁炉的频率只能达到5 000 Hz，要较好地绘制出感应电动势的曲线，采样频率要达到20 000 Hz以上，DIS实验平台在此是无能为力的。不过可以通过交流电压表直接测量，只是在课堂教学中展示电压表稍显麻烦。 参考文献： [1]丁莹.基于数字化信息系统（DIS）的高中物理实验教学研究[D].南京：南京师范大学硕士学位论文， 2012. [2]白明侠， 郑璐石. 基于DIS的物理实验应用初探[J]. 延安职业技术学院学报， 2014（3）：130-131. （栏目编辑 王柏庐） |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。