自制教具定量探究法拉第电磁感应定律

    宋培文 唐林 苛丽娟

    

    

    

    摘? ?要：本实验利用倍数法和控制变量法定量探究感应电动势与磁通量变化量、时间的关系，得出法拉第电磁感应定律。

    关键词：法拉第电磁感应定律;定量探究;数字化实验室

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）11-0058-3

    法拉第电磁感应定律是中学物理的教学重点和难点。由于在实验探究环节中，磁通量变化量的改变、对应的时间和电动势测量比较困难，造成了实验探究的困难。考虑到多方面的因素，教材编写和课标要求都只停留在教师和学生通过定性探究和分析得出定量的结论[1]，实验的结果和教学的内容虽能让学生明白，但很难深入学生的内心，这也在一定程度上增加了教与学的难度。为了服务教学，提高课堂的说服力，降低教学难度，我们在参考其他老师对法拉第电磁感应定律的定量探究的基础上，改进了实验器材，使其既能定量探究，又制作简单、操作方便、易于推广。

    1? ? 变量控制方法和测量原理[2-3]

    1.1? ? 变量的控制

    （1）通过电动机转动速度的调节改变Δt

    实验中将磁铁固定在可以自由转动的横杆上，横杆在电动机的带动下转动，通过控制电动机的转速改变时间。本设计可以重复测量和较方便地改变时间。

    （2）通过倍数法改变Δφ

    实验中在横杆上的一端连续并排放置三组圆形强磁铁，每组两枚，实验时依次成倍地增加横杆上磁铁的个数，另外在横杆的另一端对称的位置上放置金属片配重。本设计用倍数增加的方法解决了磁通量的改变问题。

    1.2? ? 测量方案

    用朗威数字化信息系统实验室DIS-lab7.2软件和电压传感器进行测量，利用软件的测量、求和和绘图功能，测量电源电动势的平均值，利用时间轴获取发生电磁感应的时间，利用绘图功能研究数据特征。

    2? ? 法拉第电磁感应定律实验方案介绍

    2.1? ? 实验器材的介绍

    实验器材规格（图1）：（1）磁铁：实验采用的磁铁为10 mm×2 mm的圆形强磁铁;（2）配重：一枚一元的硬币;（3）直流电动机：12 V无极变速直流电动机;（4）电源：7个干电池组成的电池组;（5）电压传感器：朗威多量程电压传感器（LW-E844），朗威数据采集器（LW-D801），朗威数字化信息系统实验室软件DIS-lab7.2;（6）计算机;（7）线圈：大小：75 mm×75 mm×9 mm，匝数：100匝，铜丝直径：0.3 mm;（8）面板：500 mm×700 mm左右;（9）横杆长度：600 mm左右。

    2.2? ? 实验器材的制作

    （1）横杆的制作：横杆是由实验室的直尺改造而成，制作时在中央位置打一个3 mm的小孔，便于固定在直流电动机上。然后，用10 mm的开孔器在尺子的一端依次开孔，开孔个数为3组6个，每一组小孔对称，相邻的两组孔中心间距为13 mm。最后，在另一端与第二组对称的位置开一个小孔，放置一枚硬币配重。

    （2）电动机的安装：面板的中间位置打孔4 mm，让直流电动机从背面穿过面板接在横杆上，用热熔胶将电动机固定在面板上。

    （3）电源的安装：用7节干电池组成的电池组供电，采用香蕉头对应每一节电池的位置用于改变直流电动机的电压。

    （4）线圈的固定：用美工刀在面板上直流电动机的正下方对应3组磁铁的位置开孔，磁铁静止放置时刚好全部落入线圈中，线圈置入孔中固定，预留接线柱连接传感器。如图2所示。

    2.3? ? 实验操作步骤

    2.3.1? ? Δφ一定时，改变Δt，研究感应电动势大小与Δt的关系

    （1）连接电路：将电压传感器的测量端与线圈连接，然后将传感器与朗威传感器数据接收器通道1连接、计算机连接;

    （2）设置软件：打开朗威数字化信息系统实验室DIS-lab7.2软件，选择“通用软件”—“计算表格”—添加数据“时间t”和“=1/t”，然后关闭。

    （3）测量：选择“电压U1—时间t”，在横杆上对称地放置一组磁铁，接通电源（两节干电池），点击“采集控制—开始”一段时间后点击“采集控制—停止”结束采集数据→使用拖曳工具，将测量的数据部分拖曳到屏幕内;然后选择“图线控制”→“Y缩放”缩放到适当比例→使用区域选择工具，选择磁铁进入线圈时电压传感器测量的数据，即上半部分的曲线（如图3所示）→点击“数据处理—其他处理—求平均值”求出平均值→点击“记录数据”记录到表格中→从“X标尺”读数时间并手动记录在表格中。

    （4）改变电动机的电源所接电池的节数以改变电压，改变磁铁的转数（即改变磁铁进入线圈的时间），重复步骤（3）的操作，得到多组数据，将数据依次记录在表格中（见表1），关闭直流电动机的电源。

    （5）打开计算表格，依次输入记录的时间，然后点击“组合图线1”，以“电动势（U1）”为y轴，“时间的倒数”为x轴，添加“电压U1-时间的倒数”图线（图4），得到如图5所示的图像。

    （6）分析数据，得出结论。

    2.3.2? ? Δt一定时，改变Δφ，研究感应电动势大小与Δt的关系

    （7）保持电动机转速不变，成倍增加磁铁的个数，重复测量并记录3组电动势的大小，数据见表2。

    （8）打开“计算表格”添加变量“磁通量的变化量”，用1、2、3分别表示三次测量的磁通量的倍数关系（见表2）。添加组合图线，以“电动势U1”为y轴、以“磁通量的变化量”为x轴建立坐标系，得到感应电动势大小与磁通量的变化量的關系，如图6所示。

    （9）分析数据得出结论。

    3? ? 实验设计的反思

    3.1? ? 本实验设计的优点

    （1）实验原理简单，操作方便。

    （2）实验能够反复重现。

    （3）时间可调、可控、可测。

    （4）用倍数法巧妙地解决了磁通量难以测量的问题。

    （5）利用传感器和DIS系统测量、记录和处理数据，弥补了传统方法误差大、耗时多的缺点，提高了课堂效率。

    （6）实验测得的是平均值，更符合规律的讲解，同时时间非常短时，可以近似地认为是瞬时值，方便学生对平均电动势和瞬时电动势的理解。

    3.2? ? 本实验还可以改进的地方

    （1）电动机可以改用步进电机和电子电路控制，使磁铁圆周运动更加稳定，减小线圈中产生感应电流时对磁铁运动的影响。

    （2）线圈的形状可以用扇形骨架绕制成扇形线圈，增加实验原理的准确。

    （3）可以添加线圈抽头，改变匝数，探究感应电动势与匝数的关系。

    （4）将磁铁改为匝数较多的电磁铁，并将电磁铁固定，通过改变电磁铁的电流改变磁场的强弱，从而改变磁通量的变化量;然后将线圈固定在横杆上，通过金属环引出接入到电压传感器测量，可以使操作更加方便。

    参考文献：

    [1]陈熙谋，吴祖仁.物理选修3-2[M].北京：教育科学出版社，2012：8-12.

    [2]李强.利用实验系统研究法拉第电磁感应定律的实验设计[J].物理教学，2013，35（7）：21-22.

    [3]王志斌，余金龙，卢定山，等.研制实验装置定量探究法拉第电磁感应定律[J].教学仪器与实验，2011（7）：34-36.

    （栏目编辑? ? 罗琬华）