電磁感應設計實驗與改進

李詩舟

（中國人民大學附屬中學，北京 100080）

電磁波的存在是由麥克斯韋方程組預言的，經(jīng)過了多次的實驗可以證實電磁波是存在的。目前，關于電磁波的理論已經(jīng)在逐步完善，這些理論的應用也越來越深入和廣泛。但是，筆者發(fā)現(xiàn)，在以往的電磁感應實驗過程有一些弊端。鑒于此，筆者設計了一些新的改進方案對這些弊端進行改進與優(yōu)化。

1 電磁感應現(xiàn)象演示實驗改進方案一

在圖1所示的實驗中，將一根金屬導體的兩頭與電流表連成回路，然后通過一個蹄形形狀的磁鐵來形成磁場。在實驗的過程中，我們可以使用導線對磁感線進行切割運動。在電流表進行觀察的過程中，如果發(fā)現(xiàn)電流指針擺動角度較大，那么就說明在整個電路中存在電流，這個電流的產(chǎn)生也就預示了電磁感應現(xiàn)象的存在。如果電流表指針擺動幅度較小，那么演示效果就不太好。在做這個實驗的時候，有時回路中的電流不足，電流表指針擺動幅度難以達到理想的效果，如果我們在增加磁鐵的前提條件下，還是不能達到足夠的電流的話，可以考慮在金屬導體的兩頭與電流表連成的回路中加一個直流放大器，其效果就是使電流放大若干倍，這個直流放大器跟電磁鐵和電流表是串聯(lián)的關系。

圖1 電磁感應現(xiàn)象演示實驗

2 電磁感應現(xiàn)象演示實驗改進方案二

筆者通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，通過圖2的實驗圖，我們可以獲得更好的電磁感應現(xiàn)象演示效果。實驗器材包括這些，AC15型直流復射式檢流計，漆包線（直徑一毫米左右即可，長度一米左右即可），硬紙筒一個（長度和直徑分別為15cm，12cm），準備條形磁鐵2個，兩個滑輪，支架臺和小桶一個（不能是鐵質(zhì)的）、若干沙子和一根細繩（細繩不能過硬）。

圖2 電磁感應現(xiàn)象演示實驗改進

演示步驟介紹：

為了更好說明圖2電磁感應現(xiàn)象演示實驗的先進之處，筆者特意對其演示方法進行如下詳細闡述。

（1）首先將線圈繞紙筒一周，然后用使用繩子將磁鐵吊在紙筒的上方，通過對沙子的重量進行增減以及對小桶的高度進行調(diào)整，從而使磁鐵能夠以一定的速度V向下移動，在穿過紙筒線圈的過程中，就會產(chǎn)生電流，從而可以使光點會發(fā)生移動，那么就說明了實驗的過程中有電流和電動勢發(fā)生。為了研究N（線圈的數(shù)量），Δt（時間的變化量），ΔΦ（磁通量變化量），E（感應電動勢）這幾個量的關系，我們還可以進行以下實驗。

（2）研究當線圈數(shù)量和時間的變化量保持不變的時候，感應電動勢與磁通量的變化量的關系。如果增加一個磁鐵，線圈的數(shù)量不變，磁鐵的速度也不變（也就是時間的變化量不變），仍然進行線圈切割磁感線運動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光電偏離零點的最大距離是實驗（1）中的兩倍，那么我們就可以得到E與ΔΦ成正比的結(jié)論。

（3）研究當線圈的數(shù)量和磁通的變化量保持恒定的時候，感應電動勢與實踐變化量的關系。此時進行的實驗設置如下：磁鐵的數(shù)量同實驗（2），磁鐵的速度變?yōu)閷嶒灒?）的兩倍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光電偏離零點的最大距離是實驗（2）中的兩倍，那么我們可以得到E與1/Δt成反比的結(jié)論。

通過（2）（3）我們可以得到E與ΔΦ/Δt成正比的關系。

進一步地，我們進行實驗（4），保持時間的變化量和磁通量的變化量不變，可以得到電動勢的大小與線圈的數(shù)量成正比的結(jié)論。由此，我們就可以對電磁感應定律得到驗證。

3 結(jié)束語

通過對電磁感應實驗進行改進，我們順其自然地得到兩個改進方案。在改進方案一中，通過增加直流放大器，我們可以更加清晰地觀察到電流表指針的明顯改變，在改進方案二中通過對線圈的數(shù)量，電磁鐵的數(shù)量，磁鐵的速度變化（時間的變化量）和感應電動勢的關系進行驗證，從而最終得到線圈中感應電動勢的大小跟穿過的線圈內(nèi)的磁通量變化率成正比，跟線圈的匝數(shù)成正比的結(jié)論，這就是電磁感應定律。為此，在實際實驗中，我們不妨把這兩個方案結(jié)合起來使用。