电磁感应定律实验的定量研究（1）||教学实验研究
摘 要：
法拉第电磁感应定律是电磁学的重要内容,也是中学物理教材的重要内容.本研究项目设计在斜面不同高度自由下滑的小车、光电门,设计励磁小车、5组多匝线圈,应用控制变量法,采用数字化实验手段实现了对公式E=n(ΔΦ/Δt)的全面、直观、精确、快捷的定量探究.
关键词：
电磁感应定律; 全面定量; 直观快捷; 数字化实验; 控制变量法;
【1 问题的提出】
法拉第电磁感应定律在生产生活中广泛应用,有关电磁感应定律公式实验的探究,在高中物理新旧教材(人教社、山东社、广东社)介绍的实验方法、教育部有关中学理科实验目录配套的仪器、网络资料介绍的方法以及国内现有的数字化实验设备(DIS)中,它们演示内容存在的局限性主要有两方面:一方面是不全面,所有实验装置都存在无法用控制变量法全面定量演示或探究法拉第电磁感应定律
的不足.另一方面是定量少,所有实验装置只能是定性演示或间接地验证法拉第电磁感应定律,最多也只能间接定量探究
的关系,况且它们的实验方法繁琐,实验结果不直观.因此,设计与制作一个全面定量、直观快捷探究电磁感应定律的实验仪器,弥补课本和实验配套的不足,是很有实际意义和应用价值.
【2 仪器装置图】
按图1所示组装各个部件,将电压传感器、光电门传感器与数字采集器连接,接通电脑,稳压直流电源连接电磁铁,打开电磁感应定律专用软件进行相应的设置.本实验仪的电流精度是0.01A,电压传感器测量精度0.01V,匝数的精度是1N,挡光片挡光时间的测量精度是10s.采用正反偏电流计和高亮度发光二极管来判定感应电流的方向.
图1 仪器装置图
【3 仪器的设计与制作】
3.1 实验研究思路
采用控量变换法实现
的全面直观定量探究包括3个方面:
①当n、ΔΦ不变时,E∝1/Δt;
②当n、Δt不变时,E∝ΔΦ;
③当ΔΦ、Δt不变时,E∝n.
3.2 仪器制作示意图
实验装置的连接和信号流程如图2的方框图所示.
图2 仪器的信号流程图
3.3 设计制作仪器底座支架
仪器底座支架如图1下半图所示,用0.2mm厚的不锈钢方管焊接而成的长方体框架,高度15cm,长度和宽度大小依照励磁小车下滑的斜面宽度和长度灵活而定,主要用来固定励磁小车下滑的斜面和提高课堂演示的可见度.
3.4 设计制作励磁小车
按图3设计制作励磁小车,小车采用摩擦力很小的四轮塑料小车,主要用来承载并固定电磁铁,通过小车在同一斜面的不同高度下滑来改变挡光片的挡光时间,从而控制Δt的变化.电磁铁支架采用外径30mm、长度246.5mm的塑料水管做成,左端管内装有长度91mm的铁芯,在塑料管外有规则地缠绕直径d=0.25 mm的漆包线,匝数为0-1000-2000-3000的励磁线圈,塑料管的右侧安装配重块用来平衡电磁铁,使小车能稳定地在有轨道的斜面上自由下滑;励磁线圈接线柱外接直流稳压电源,通过改变励磁线圈的电流来改变电磁铁的磁场强度,从而控制磁通量的变化;挡光片装在小车上,用来测量磁通量变化ΔΦ所对应的时间Δt.实现了定量探究E∝1/Δt、ΔΦ的关系的目的.实物如图3所示.
图3 励磁小车
3.5 设计制作感应线圈
取用一个直径为37mm、长度为85mm的塑料管作为缠绕漆包线的支架,然后在支架上有规则地绕上铜漆包线,并留出6个抽头,匝数为0-2000-4000-6000-8000-10000匝.用有机玻璃板制作一个长、宽、高分别为100×75×25mm的长方体,一面开口朝上作为感应线圈的底座并在两侧面安装6个抽头的接线柱,实现了定量探究E∝n的关系的目的.实物如图4所示.
图4 感应线圈实物图
【4 具体实验研究方法】
4.1 控制n、ΔΦ不变,研究E与1/Δt的关系
取电磁铁电流I=0.15A,感应线圈匝数n=10000,让小车在斜面的不同高度自由下滑,实验系统在记录表格自动记录对应的感应电动势大小和挡光时间t,点击1/t图标显示t对应E的数值,如图5.点击“E-(1/Δt)图像”图标进入图像功能界面画出离散点,再点击“线性拟合”图标拟合出直线,多次点击“相关系数”图标给出直线方程、相关系数的大小和定义,如图6所示.
图5 探究E-(1/Δt)关系的数据表格界面
图6 探究E-(1/Δt)关系的拟合图象界面
结论:相关系数r=0.9963,在误差范围内
4.2 控制n、Δt不变,研究E与ΔΦ的关系
取n=10000,t=0.0639s(误差范围内不变),让小车在斜面的同一高度自由下滑,实验系统在记录表格自动记录对应的感应电动势大小和挡光时间,规定电磁铁电流为0.05A时对应1个单位的Φ,在表格中输入Φ对应E的数值,如图7.点击“E-Φ图像”图标进入图像功能界面画出离散点,再点击“线性拟合”图标拟合出直线,多次点击“相关系数”图标给出直线方程、相关系数的大小和定义,如图8所示.
图7 探究E-ΔΦ关系的数据表格界面
图8 探究E-ΔΦ关系的图像界面
结论:相关系数r=0.9983,其中ΔΦ用键盘输入,在误差范围内E∝ΔΦ.
4.3 控制ΔΦ、Δt不变,研究E与n的关系
取电磁铁电流I=0.25A,t=0.0576s(误差范围内不变),当n=2000、4000、6000、8000、10000时,分别让小车在斜面的同一高度自由下滑,实验系统在记录表格自动记录对应的感应电动势大小和挡光时间,在表格中输入n对应E的数值,如图9.点击“E-n图像”图标进入图像功能界面画出离散点,再点击“线性拟合”图标拟合出直线,多次点击“相关系数”图标给出直线方程、相关系数的大小和定义,如图10所示.
结论:相关系数r=0.9986,其中n用键盘输入,在误差范围内E∝n.
图9 探究E-n关系的数据表格界面
图1 0 探究E-n关系的图像界面
4.4 小结
综上实验,在误差范围内可得出E∝nΔΦ/Δt,写成E=knΔΦ/Δt.当E、n、ΔΦ、Δt的单位用国际单位制时,其中系数k=1,因此有法拉第电磁感应定律公式E=nΔΦ/Δt.结果证明实验方案是可行、正确的,实验装置设计是科学、合理的。
【5 注意事项】
实验时,光电门靠近感应线圈的距离稍大于挡光片的宽度即可,励磁线圈长时间通电的电流应控制在0.20A以下,防止线圈发热厉害烧坏,做改变磁通量实验短时间电流最大可调0.40A.每次实验之前,先放好小车在斜面的高度再点击实验软件表格界面的“开始记录”,然后释放小车自由下滑,表格才能自动记录数据。
【6 仪器实用性】
本仪器为教师课堂教学提供电磁感应定律公式的定量演示;为高中生探究法拉第电磁感应定律提供定量探究实验;改变“课堂教师灌输、学生死背公式”的现状,弥补教材和实验仪器配套的不足。