利用DIS探究法拉第電磁感應(yīng)定律

陳曉平

(浙江省海寧中學(xué)，浙江 嘉興 314400)

1 問題的提出

法拉第電磁感應(yīng)定律是研究電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)，是電磁學(xué)部分的核心內(nèi)容。人教版的教材上只是陳述德國物理學(xué)家紐曼和韋伯對理論和實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行嚴(yán)格分析后，得出了法拉第電磁感應(yīng)定律，教材中也沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)的介紹。筆者認(rèn)為教材對這么重要的一節(jié)內(nèi)容做這樣的處理是欠妥當(dāng)?shù)?。法拉第電磁感?yīng)定律作為一個實(shí)驗(yàn)定律，必須要通過實(shí)驗(yàn)探究獲得結(jié)論才能使學(xué)生信服，才符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

2 用DIS突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)

利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流都不夠大，很難用電表測量，獲得精確數(shù)值。而且產(chǎn)生的感應(yīng)電流一直在變化，用傳統(tǒng)電表測量，無法使指針停留在一個確定的數(shù)值，所以對實(shí)驗(yàn)探究帶來了較大的困擾。

利用DIS實(shí)驗(yàn)的電壓傳感器和微電流傳感器，可以測量微小的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，并且可以讓感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流隨時(shí)間變化的信息用圖像顯示在電腦屏幕上，可以看到電壓和電流隨時(shí)間變化的精確信息，為法拉第電磁感應(yīng)定律的探究提供了良好的條件。

3 定性探究

為了快速且準(zhǔn)確地獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以通過倍增法來進(jìn)行探究。如成倍改變線圈匝數(shù)n、成倍改變線圈的面積S等，再結(jié)合控制變量法來探究，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4 探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 探究E與n的關(guān)系

把匝數(shù)分別為100、150、200的線圈繞在PVC管上，三個電壓傳感器分別接在三個線圈上，讓一個強(qiáng)磁鐵從管道上端釋放，磁鐵穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢如圖1所示。由圖1可知，感應(yīng)電動勢的比值與匝數(shù)的比值吻合，由此可說明，在磁通量變化率一定的前提下，感應(yīng)電動勢E與線圈匝數(shù)n成正比，即E∝n。

圖1

圖2

4.2 探究E與Δt的關(guān)系

保證線圈匝數(shù)n、線圈面積S、磁感應(yīng)強(qiáng)度變化ΔB相同，探究E與Δt的關(guān)系。在距離透明PVC管上端分別為h1=10cm、h2=40cm、h3=90cm處放置3個相同尺寸的300匝線圈，讓強(qiáng)磁鐵從管道上端做自由落體運(yùn)動。根據(jù)運(yùn)動規(guī)律v2=2gh可知，磁鐵經(jīng)過三個線圈時(shí)的速度之比為1∶2∶3，則磁鐵穿過三個線圈的平均時(shí)間之比為6∶3∶2。

三個電壓傳感器分別接在三個線圈上，磁鐵從上端靜止釋放后，磁鐵經(jīng)過三個線圈，獲得的感應(yīng)電動勢圖像如圖2所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，感應(yīng)電動勢峰值之比E1∶E2∶E3=1∶2∶3，根據(jù)比例關(guān)系可知，感應(yīng)電動勢E與時(shí)間Δt成反比，即E∝1/Δt。

4.3 探究E與B的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)n、線圈面積S、時(shí)間Δt不變，探究E與B的關(guān)系。要實(shí)現(xiàn)磁場的倍增，難度較大。如果用疊加磁鐵的方法，不能保證兩個磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度是相同的，而且疊加后也不能保證成兩倍關(guān)系。

改用通電螺線管來產(chǎn)生磁場，使流過通電螺線管電流的比值為1∶2，產(chǎn)生的磁場的比值就是1∶2。用軟彈簧掛住螺線管，在螺線管下方放置一個線圈，線圈兩端連接一個微電流傳感器。往下拉螺線管，放手后讓螺線管上下做簡諧運(yùn)動，控制螺線管通電的電流之比為1∶2，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流圖線如圖3所示。由圖3可知，感應(yīng)電流的峰值之比為1∶2，則感應(yīng)電動勢之比也為1∶2，由此可知，感應(yīng)電動勢E與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，即E∝B。

圖3

4.4 探究E與S的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)n、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、時(shí)間Δt不變，探究感應(yīng)電動勢E與有效面積S的關(guān)系。如果線圈面積之比為1∶2，則線圈的電阻不同，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果會產(chǎn)生影響。把兩個完全相同的線圈捆在一起，并將其中的一個沿中線折90°，使有效面積之比為1∶2，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，這樣的線圈電阻也相同，根據(jù)測得的感應(yīng)電流的比值，來判斷感應(yīng)電動勢與面積的關(guān)系。

圖4

圖5

讓磁鐵在線圈中部位置靠近線圈，在兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流圖像如圖5所示。由圖5可知，兩個線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流之比為1∶2，則感應(yīng)電動勢E與有效面積S成正比，即E∝S。

5 結(jié)語

通過DIS實(shí)驗(yàn)探究法拉第電磁感應(yīng)定律，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，同時(shí)也提高了學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)思維能力，養(yǎng)成學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。