《法拉第電磁感應(yīng)定律》的實(shí)驗創(chuàng)新設(shè)計

李二勃

摘要：本節(jié)課是從感應(yīng)電流進(jìn)一步深入到感應(yīng)電動勢來理解的，即研究“決定感應(yīng)電動勢大小的因素”。教科書在這個問題上的處理并沒有通過實(shí)驗探究，而是以陳述事實(shí)的方式，引入法拉第電磁感應(yīng)定律，而本節(jié)課的設(shè)計既延續(xù)了這一思想，又結(jié)合生活發(fā)現(xiàn)，設(shè)計了兩個創(chuàng)新實(shí)驗進(jìn)行驗證，既讓學(xué)生領(lǐng)會了物理學(xué)的真正歷史，也在實(shí)驗探究中加深了對法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的理解，提高了學(xué)生獲取知識的樂趣。

關(guān)鍵詞：法拉第電磁感應(yīng)定律;感應(yīng)電動勢;磁通量變化率

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1992-7711（2020）16-075-1

《法拉第電磁感應(yīng)定律》是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書·物理選修3-2·第四章第四節(jié)。新課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)內(nèi)容的要求層次為：知道什么叫感應(yīng)電動勢，理解法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容及數(shù)學(xué)表達(dá)式。課程標(biāo)準(zhǔn)的這種要求充分考慮到高中學(xué)生的知識基礎(chǔ)和認(rèn)知能力。通過學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的觀察能力、理解能力、探究能力和分析能力。就本節(jié)內(nèi)容而言，“法拉第電磁感應(yīng)定律”是電磁學(xué)的核心內(nèi)容，從知識的發(fā)展來看，它既能與電場、磁場和恒定電流有緊密的聯(lián)系，又是學(xué)習(xí)交流電、電磁振蕩和電磁波的重要基礎(chǔ);從能力的發(fā)展來看，它既能在與力、熱知識的綜合應(yīng)用中培養(yǎng)綜合分析能力，又能全面體現(xiàn)能量守恒的觀點(diǎn)。因此，它既是教學(xué)的重點(diǎn)，又是教學(xué)的難點(diǎn)。

一、思想創(chuàng)新

教科書用“在法拉第、紐曼、韋伯等人工作的基礎(chǔ)上，人們認(rèn)識到：感應(yīng)電動勢與穿過這一回路的磁通量的變化率成正比”的表述給出了電磁感應(yīng)定律，其目的是力圖通過這一物理規(guī)律的教學(xué)，充分體現(xiàn)人類認(rèn)識事物的一種真實(shí)圖景。本文的思想是既再現(xiàn)歷史的真實(shí)研究場景，又結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計實(shí)驗進(jìn)行驗證，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

二、實(shí)驗創(chuàng)新

本節(jié)課在實(shí)驗上做了兩個創(chuàng)新，一個是從生活中獲得的靈感，設(shè)計了教師演示實(shí)驗利用電磁爐可以產(chǎn)生變化的磁場，間接導(dǎo)致回路上有變化的磁通量，而燈泡的亮度變化可以直觀的讓學(xué)生感受匝數(shù)和磁通量的變化率對感應(yīng)電動勢的理解;二是設(shè)計了學(xué)生實(shí)驗，利用學(xué)生電源，大小線圈，滑動變阻器，多用電表等定量驗證法拉第電磁感應(yīng)定律，數(shù)據(jù)的處理學(xué)生可以直接進(jìn)行計算，也可以作圖說明;最后對誤差進(jìn)行分析，充分培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，感悟從不同物理現(xiàn)象中抽象出個性與共性問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生對不同事物進(jìn)行分析，找出共性與個性的辯證唯物主義思想。

三、容易推廣

本次實(shí)驗不管是教師演示實(shí)驗，還是學(xué)生分組實(shí)驗，用到的所有實(shí)驗器材均為實(shí)驗室常用器材和生活中常見材料，做出來的實(shí)驗現(xiàn)象效果明顯，學(xué)生震撼，并且能夠通過問題設(shè)置疑惑，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)行思維的碰撞，從而達(dá)到師生共鳴的效果。

實(shí)驗解說：

1.教師演示實(shí)驗

設(shè)計初衷：長期以來，學(xué)生對于法拉第電磁感應(yīng)定律的理解停留在思想層面和理解層面，并未直觀的通過實(shí)驗看到匝數(shù)，磁通量的變化率對感應(yīng)電動勢的理解，尤其是磁通量的方向性，更是學(xué)生較難理解的難題之一，因此設(shè)計該試驗，讓學(xué)生從現(xiàn)象層面加深認(rèn)識從而促進(jìn)對其本質(zhì)的理解。

器材準(zhǔn)備：電磁爐，導(dǎo)線，小燈泡，滑動變阻器，小鋁盆

實(shí)驗原理：電磁爐可以在其周圍產(chǎn)生變化的磁場，我們將一匝線圈連接燈泡和滑動變阻器套在電磁爐上，滑動變阻器主要起到保護(hù)電路的作用，這個時候保持線圈匝數(shù)不變，逐步升高電磁爐的頻率，我們可以清楚地看到燈泡逐步變亮;然后保持電磁爐的頻率為某一定值，依次增加線圈的環(huán)繞匝數(shù)，燈泡的量度也會逐漸變亮。注意：這里有一個很好的教學(xué)機(jī)會，就是我們在放置最后一匝線圈的時候，趁學(xué)生不注意，轉(zhuǎn)個圈，讓電流方向與之前的相反，導(dǎo)致的直觀現(xiàn)象就是，匝數(shù)增加，但小燈泡的亮度并沒有增加反倒降低了，學(xué)生非常震撼，進(jìn)一步利用此現(xiàn)象講解磁通量的方向性，從而巧妙地突破教學(xué)難點(diǎn)。

2.學(xué)生分組實(shí)驗

設(shè)計初衷：本節(jié)內(nèi)容一直都沒有簡單有效的學(xué)生分組實(shí)驗，因此設(shè)計此實(shí)驗，力圖讓學(xué)生從理論和實(shí)驗上雙重理解法拉第電磁感應(yīng)定律，加深認(rèn)識。

器材準(zhǔn)備：學(xué)生電源、大小線圈、指針式多用電表、滑動變阻器、導(dǎo)線

實(shí)驗原理：用導(dǎo)線將學(xué)生電源、滑動變阻器、大線圈連接起來，滑動變阻器主要起到保護(hù)電路的作用，學(xué)生電源使用交流電，大線圈周圍就會產(chǎn)生變化的磁場，小線圈里面就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，隨著交流電壓的升高，小線圈里面磁通量的變化率也會升高，交流電壓成倍增加，小線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也成倍增加，從而精確地驗證法拉第電磁感應(yīng)定律，數(shù)據(jù)如下表：

UAB（V）△φ△t1.52.22.93.64.3

UCD（V）E1.42.12.83.54.2

數(shù)據(jù)分析和誤差分析：從數(shù)據(jù)中我們可以看到，當(dāng)小線圈的電壓逐漸增加，它周邊產(chǎn)生的磁通量的變化率就會增加，小線圈周邊的磁通量增加多少，我們看到大線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也會增加多少，那為什么小線圈產(chǎn)生的磁通量的變化率不等于大線圈的感應(yīng)電動勢，仔細(xì)分析有以下三條原因：

大小線圈的匝數(shù)不同

小線圈和大線圈中間沒有完全緊貼，有空隙

周邊電路中的交流電產(chǎn)生的磁場對大線圈的影響

如果我們可以克服這些誤差，做到小線圈產(chǎn)生的磁通量的變化率和大線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢第一組數(shù)據(jù)相等，那我們通過后面的數(shù)據(jù)就準(zhǔn)確的驗證了法拉第電磁感應(yīng)定律。

綜上，本文通過設(shè)計創(chuàng)新實(shí)驗，既還原了課本真實(shí)的物理學(xué)發(fā)展歷史，又通過演示實(shí)驗和小組實(shí)驗，讓學(xué)生真實(shí)的體會到法拉第電磁感應(yīng)定律的正確性，鍛煉了學(xué)生的思維能力和動手能力，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，落實(shí)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，讓我們的學(xué)生真正具備將來應(yīng)對各種挑戰(zhàn)的必備品格和關(guān)鍵能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]袁俊.法拉第電磁感應(yīng)定律”創(chuàng)新實(shí)驗設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（Z1）.

（作者單位：陜西省西安市第六十六中學(xué)，陜西 西安 710018）