法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究實驗教具創(chuàng)新

摘 要：法拉第電磁感應(yīng)定律作為高中物理選擇性必修2中“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題的重要內(nèi)容，充分理解和掌握該定律對于學生學好電磁學并應(yīng)用其原理解決實際問題具有重要意義。對于法拉第電磁感應(yīng)定律，傳統(tǒng)的實驗教具存在一些局限，大多以定性觀察為主，定量探究的實驗教具較少。針對現(xiàn)有教具的不足，在兼顧定性實驗演示效果的基礎(chǔ)上，進行了定量探究實驗教具創(chuàng)新，創(chuàng)新教具結(jié)構(gòu)新穎、制作簡單、操作方便、演示效果好，學生容易理解，測量精度高，能很好地通過實驗探究分析推導出法拉第電磁感應(yīng)定律公式，可幫助學生更好地理解該定律。

關(guān)鍵詞：法拉第電磁感應(yīng)定律；定量探究；教具；創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）7-0060-4

法拉第電磁感應(yīng)定律作為高中物理電磁學模塊的基礎(chǔ)定律之一，如何使學生清晰理解和掌握該定律是其作為規(guī)律教學課的重點和難點，它在現(xiàn)實生活中應(yīng)用廣泛。該定律描述了當閉合線圈中的磁通量發(fā)生變化時，線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，應(yīng)用該定律能很好地幫助學生理解和掌握電動機、發(fā)電機、變壓器和感應(yīng)線圈等電氣設(shè)備的工作原理。由于法拉第電磁感應(yīng)定律比較抽象，所以學生掌握起來有一定困難。為了在高中物理教學中幫助學生深入理解法拉第電磁感應(yīng)定律，通過實驗對教學內(nèi)容進行探究以幫助學生構(gòu)建知識。為此，本文對法拉第電磁感應(yīng)定律實驗教具進行了創(chuàng)新，創(chuàng)新教具將傳統(tǒng)實驗和現(xiàn)代測量技術(shù)有機融合，既克服了傳統(tǒng)教具的不足，又能進行很好地演示和定量探究，這樣可以幫助學生直觀地理解法拉第電磁感應(yīng)定律，讓學生通過實驗現(xiàn)象觀察和實驗數(shù)據(jù)分析歸納得出法拉第電磁感應(yīng)定律公式，不用進行復雜抽象的數(shù)學推導。這樣，學生就能更好地理解和應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，創(chuàng)新教具也在促進學生自主動手探究能力和養(yǎng)成創(chuàng)新精神方面起到重要幫助。

1 教材實驗的優(yōu)勢與局限

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：要通過實驗理解法拉第電磁感應(yīng)定律［1］。人教版2019年版教材選擇性必修2的第2章第2節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”中展示了兩種實驗的方式，這兩種方式雖然在電磁感應(yīng)的基本原理展示上對學生有所幫助，但在提供深入理解和應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律方面存在一定局限。圖1所示的教材演示實驗，旨在闡釋磁場變化如何引發(fā)感應(yīng)電流產(chǎn)生［2］。該演示教具簡單、直觀，實驗器材獲得容易。不足在于該實驗只能定性觀察，不能定量探究，限制了對實驗現(xiàn)象的深入分析。圖2所示為教材“做一做”部分的實驗，該實驗不再單純是傳統(tǒng)實驗的定性觀察，旨在通過分別改變線圈匝數(shù)、磁體強度等因素，探究其與感應(yīng)電動勢大小之間的關(guān)系，最終得出定性結(jié)論［2］。該實驗裝置看似簡單，但操作較為困難，磁鐵從管中下落只穿過線圈一次，測得的實驗數(shù)據(jù)也只有一組，且測量誤差較大，學生從該實驗裝置中也觀察不到線圈中感應(yīng)電動勢的變化情況，教具演示效果不好。

2 法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究實驗教具創(chuàng)新

創(chuàng)新的法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析演示儀如圖3所示，儀器底座由電工木板粘接而成，底座上水平安裝一個曲柄滑桿機構(gòu)，曲柄滑桿可從網(wǎng)上購買，滑桿的最大行程可達15 cm，曲柄滑桿機構(gòu)由調(diào)速直流電機帶動，可通過調(diào)節(jié)電機工作電壓改變滑桿移動的速度。曲柄滑桿的前端有螺桿用于安裝圓柱形磁鐵，各型號的磁鐵直徑如圖4所示。各磁鐵均安裝在同一規(guī)格的有機玻璃管中，通過有機玻璃管底部中心位置粘接的螺母可非常方便地將不同規(guī)格的磁鐵安裝在滑桿前端的絲桿上。在圓柱形磁鐵左右水平移動中心線上安裝中心高相同的帶有不同抽頭的多匝線圈，裝有磁鐵的有機玻璃管可在線圈中心的有機玻璃管中左右來回穿梭，線圈的幾個抽頭固定在底座上，線圈與紅綠兩種演示用的發(fā)光二極管連接線路如圖5所示，當線圈中產(chǎn)生出感應(yīng)電動勢后就可使兩種演示的發(fā)光二極管交替發(fā)光。這樣的設(shè)計就可以通過改變電機工作電壓改變磁鐵在線圈中移動的速度，改變磁鐵直徑大小就可以改變穿過線圈的磁場強弱進而改變線圈中的磁通量，改變線圈的抽頭接線就可以改變線圈的匝數(shù)，進而探究線圈中感應(yīng)電動勢的大小與這幾個物理量之間的定量關(guān)系，通過觀察發(fā)光二極管的顏色和亮度可以觀察到線圈中感應(yīng)電動勢大小和方向的變化。線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小由朗威電壓傳感器展示，優(yōu)點是測量精度高。創(chuàng)新教具旨在為學生提供一個教具結(jié)構(gòu)簡單、實驗操作簡便、測量精度高、演示現(xiàn)象明顯的實驗探究裝置。教具設(shè)計簡潔、美觀，能充分激發(fā)學生的求知欲和實驗探究熱情，能很好地幫助學生深入理解法拉第電磁感應(yīng)定律，并通過定量分析歸納得出法拉第電磁感應(yīng)定律公式E=n·ΔΦ/Δt［3］。

該教具既可以讓學生通過觀察紅綠兩種顏色發(fā)光二極管的發(fā)光情況和亮度變化看到法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，還可以通過控制變量法分別定量探究感應(yīng)電動勢大小與線圈匝數(shù)、磁體強度和磁鐵穿過線圈的速度之間的關(guān)系，創(chuàng)新教具更有助于加深學生對法拉第電磁感應(yīng)定律公式的理解，達到幫助學生建構(gòu)知識的目的。

3 定性演示法拉第電磁感應(yīng)定律

接通電源，保持磁鐵大小、線圈匝數(shù)不變，通過調(diào)節(jié)直流調(diào)速電機的工作電壓改變電機的轉(zhuǎn)速，學生可以明晰地觀察到電機轉(zhuǎn)速越快，磁鐵穿過線圈的時間越短，二極管的發(fā)光越強；保持電機轉(zhuǎn)速、線圈匝數(shù)一定，改變穿過線圈磁鐵的大小，學生可以明晰地觀察到磁鐵直徑越大，二極管發(fā)光越強；在電機轉(zhuǎn)速、磁鐵大小一定的情況下，線圈匝數(shù)越多，二極管發(fā)光越強。通過定性演示，學生可以初步認識到線圈中感應(yīng)電動勢E與n、ΔΦ、Δt之間的定性關(guān)系，激發(fā)學生定量探究線圈中感應(yīng)電動勢E與n、ΔΦ、Δt之間定量關(guān)系的熱情。

4 探究感應(yīng)電動勢E與n、ΔΦ、Δt之間的定量關(guān)系

4.1 保持ΔΦ、Δt不變，改變線圈匝數(shù)n，探究感應(yīng)電動勢E與n之間的定量關(guān)系

保證直流電機的工作電壓為10 V，選擇直徑為30 mm的磁鐵安裝在滑塊前端，依次改變線圈的匝數(shù)（1000、1500、2000、2500、3000）進行實驗探究，通過電壓傳感器測得的數(shù)據(jù)如圖6所示。通過觀察電壓隨時間的變化曲線，學生可以清晰地觀察到，當保持ΔΦ、Δt不變，改變線圈匝數(shù)n時，線圈中感應(yīng)電動勢E變化情況會不同。分析采樣結(jié)果表明，線圈匝數(shù)越多，感應(yīng)電動勢的峰值也越高。這樣的實驗現(xiàn)象可讓學生直觀地感受到，當ΔΦ、Δt不變，線圈匝數(shù)n增大，線圈中感應(yīng)電動勢E也隨之增大，通過表1測得的實驗數(shù)據(jù)可充分說明法拉第電磁感應(yīng)定律中線圈匝數(shù)與感應(yīng)電動勢大小的關(guān)聯(lián)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)作E與n關(guān)系圖，圖像如圖7所示，從圖中可以看出感應(yīng)電動勢E與感應(yīng)線圈的匝數(shù)n成正比。

4.2 保持n、Δt不變，通過改變磁鐵直徑改變ΔΦ，探究感應(yīng)電動勢E與ΔΦ之間的定量關(guān)系

保持電機工作電壓為10 V，線圈匝數(shù)為3000匝，在滑桿的前端分別安裝直徑為20 mm、25 mm、30 mm、40 mm的強磁鐵，通過改變穿過線圈磁鐵直徑的大小，可探究穿過線圈中的磁通量變化與感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系。通過改變磁鐵直徑d的大小，測得的線圈中感應(yīng)電動勢的大小隨時間變化的關(guān)系曲線如圖8所示。實驗表明，磁鐵直徑d越大，線圈中感應(yīng)電動勢E也隨之增大。通過表2測得的實驗數(shù)據(jù)可充分說明法拉第電磁感應(yīng)定律中穿過線圈的磁通量與感應(yīng)電動勢大小的關(guān)聯(lián)。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)作E與d關(guān)系圖，圖像如圖9所示，從圖中可以看出感應(yīng)電動勢E與穿過線圈磁鐵的直徑d成正比，由于ΔΦ=ΔB·S，也間接表明E與ΔΦ成正比。

4.3 保持n、d不變，改變電機工作電壓，探究感應(yīng)電動勢E與1/Δt之間的定量關(guān)系

保持線圈匝數(shù)n（3000匝）、磁鐵直徑d（30 mm）不變，通過改變電源的大小調(diào)節(jié)磁鐵穿過線圈的速度以改變1/Δt的大小，將電機的工作電壓分別調(diào)為6 V、8 V、10 V、12 V、14 V，定量探究感應(yīng)電動勢E與1/Δt的關(guān)系，通過傳感器測得線圈中感應(yīng)電動勢大小隨時間的變化曲線如圖10所示。實驗現(xiàn)象表明，隨著電機工作電壓的增大，磁鐵在線圈中穿梭的速度越快，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大。通過表3測得的實驗數(shù)據(jù)可充分說明法拉第電磁感應(yīng)定律中線圈感應(yīng)電動勢大小E與1/Δt正相關(guān)。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)作E與U關(guān)系圖，圖像如圖11所示，從圖中可以看出感應(yīng)電動勢E與曲柄滑桿機構(gòu)電機的工作電壓U成正比。

綜上，通過控制變量法進行定量探究可推導得出閉合線圈中感應(yīng)電動勢的大小與線圈匝數(shù)、磁通量的變化量以及磁鐵穿過線圈的時間之間的關(guān)系，即E=n·ΔΦ/Δt。

5 結(jié)束語

物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學，離開了物理實驗，物理學就不能得到發(fā)展，相應(yīng)的物理教學如果不能充分利用實驗開展教學，學生就不能很好地理解和掌握所學知識，也難以促進學生自主學習的內(nèi)驅(qū)力。因此，在中學物理教學中，應(yīng)重視實驗這一環(huán)節(jié)。但是，從當前的現(xiàn)狀來看，由于實驗教具匱乏，創(chuàng)新實驗教具少，實驗仍然是中學物理教學一個很薄弱的環(huán)節(jié)。如果教師能利用一些易于獲取的材料做一些有創(chuàng)意的實驗教具來開展物理教學，這樣就會讓學生覺得物理就在身邊，從而提高學生學習物理的興趣，調(diào)動學生學習物理的熱情。創(chuàng)新的法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析演示儀克服了教材和現(xiàn)有一些教具的不足，創(chuàng)新教具結(jié)構(gòu)新穎、制作簡單、操作方便、演示效果好，學生容易理解，測量精度高，能很好地通過實驗探究分析推導出法拉第電磁感應(yīng)定律公式，可幫助學生更好地理解該定律，同時該創(chuàng)新教具在促進學生自主動手探究能力和養(yǎng)成創(chuàng)新精神方面也起到重要幫助作用，值得在中學物理電磁學教學中推廣。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］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.普通高中教科書物理選擇性必修第二冊［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］周雅梅，代偉，黎源逍，等.直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀［J］.中學物理，2019，37（17）：40-42.