控制變量法定量探究“法拉第電磁感應定律”實驗裝置的創(chuàng)新

伊蘭

摘 要：創(chuàng)新設計了物理實驗裝置，結(jié)合DIS實驗裝置，通過控制變量法，能夠清楚且定量地展示法拉第電磁感應定律中電動勢與磁通量、磁通量變化的時間以及線圈匝數(shù)的關系，實驗操作簡單，實驗原理清晰易懂。實驗過程中需要學生的積極參與和配合，能夠很好地鍛煉他們的合作交流以及動手能力。

關鍵字：法拉第電磁感應定律;定量探究DIS

“法拉第電磁感應定律”是人教版物理選修3-2第四章第4節(jié)的內(nèi)容，這一章節(jié)的內(nèi)容是高中階段教學的重點，但是課本中并沒有設計具體的實驗定量探究法拉第電磁感應定律，而是通過上一節(jié)的實驗現(xiàn)象定性地推導出法拉第電磁感應定律的表達式，不利于學生的理解和接受，筆者創(chuàng)新設計實驗裝置，通過控制變量法，能夠定量地得出法拉第的電磁感應定律的具體表達式，實驗現(xiàn)象明顯，學生容易接受，同時發(fā)展了學生的物理核心素養(yǎng)。

一、實驗裝置

將可調(diào)頻的三角形鋸齒波交流電源（0～12V）與電阻箱（0～100Ω）、帶鐵芯的螺線管、電流傳感器串聯(lián)，副線圈為通電螺線管和電流傳感器的串聯(lián)電路，將副線圈的通電羅線圈靠近原線圈，最后將電磁流量計靠近原副線圈的軸心。

二、實驗原理

變化的電場產(chǎn)生磁場，原線圈的電阻箱可調(diào)節(jié)電路的電流，從而變原線圈磁通量的變化，原線圈的電流傳感器可在電腦上顯示每時每刻的電流大小和變化。電磁流量計可在電腦上顯示線圈中磁通量的大小及變化規(guī)律。副線圈的感應電動勢E的測量可采取間接測量方式，可知，在副線圈電阻不變的情況下電流與電壓成正比，因此通過電流傳感器檢測出感應電流的變化規(guī)律，則可知感應電動勢的變化規(guī)律。通過控制變量法，調(diào)節(jié)交流電源的頻率、調(diào)節(jié)電阻箱阻值的大小、改變副線圈的匝數(shù)n，通過DIS實驗儀器，檢測數(shù)據(jù)的變化，觀察實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律，得出結(jié)論。

三、探究法拉第電磁感應定律

（1）控制n與不變，探究電動勢E與的關系

將原線圈的滑動變阻器阻值調(diào)到最大，閉合開關，通過DIS實驗裝置可顯示原線圈電流隨時間變化的的i-t圖像，磁通量的變化規(guī)律圖像以及副線圈電流隨時間變化的i1-t圖像，如圖2所示。

從圖中可以看出，又，則。

調(diào)節(jié)滑動電阻箱，改變原線圈的電流大小，則也在變化，從實驗結(jié)果中仍可以看到，則。

（2）控制n與不變，探究電動勢E與的關系

調(diào)節(jié)電阻箱的阻值為某一定值，之后保持電阻箱的阻值不變。第一次調(diào)節(jié)電源的輸出頻率，觀察i1的峰值。第二次將電源的輸出頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，觀察i1的峰值。第三次再將電源的輸出頻率調(diào)為第一次的3倍，觀察i1的峰值。從實驗結(jié)果不難觀測到隨著頻率的成倍增加，i1的峰值也在成倍地增加，進而得出，即，則。

（3）控制與不變，探究電動勢E與n的關系

保持電源的輸出頻率不變，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值為某一定值，副線圈使用100匝的線圈，閉合開關，觀察i1的峰值。一次更換副線圈的匝數(shù)為200匝、300匝，再次觀察i1的峰值，不難觀測到i1的峰值也成倍地增加，進而得出，則。

通過實驗探究得出法拉第電磁感應定律。

四、總結(jié)與評價

筆者設計的實驗電路簡單明了，實驗過程簡單，可操作性強，筆者采用了DIS實驗裝置，將實驗結(jié)果顯示在電腦屏幕上，學生能夠清楚地看到圖像的變化，進而進行規(guī)律的總結(jié)，得出法拉第電磁感應定律的具體表達式。實驗過程中充分發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生參與到演示實驗的操作過程，充分體現(xiàn)了物理學科的核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書·物理·選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2016.

[2]藺立昌.對法拉第電磁感應定律實驗的改進-巧用示波器探究多匝問題[J].物理教學探討，2019，37（526）：50～51.