谈谈“探究法拉第电磁感应定律”的创新设计（3）||教学实验研究
摘 要：
本文介绍了实验器材的创新设置和实验理论上的独到探究方法, 成功地将法拉第电磁感应定律的定性研究开发成定量探究, 弥补了中学物理实验研究的空白.
关键词：电磁感应定律; 实验装置; 定量探究; 创新;
在高中阶段, 法拉第电磁感应定律是实验教学实施中“难啃的骨头”, 难在不容易定量说明.教师往往从定性的角度演示一些较为简单直观的实验, 如可以形象地说明匝数越多, 磁通量的变化越快, 产生的电动势就会越大.因此, 如何精确地探究法拉第电磁感应定律成为高中物理教学迫切需要突破的瓶颈.
笔者经过若干次的设计、试验、检测和改进, 终于制作成一组简单可行, 可以精确探究法拉第电磁感应定律的演示实验装置.
1 实验教学目标
(1) 借助自主设计的创新实验装置进行法拉第电磁感应定律
的定量研究.
① 探究感应电动势E与匝数n成正比;
② 探究感应电动势E与磁通量的 ΔΦ 成正比;
③ 探究感应电动势E与磁通量变化的时间Δt成反比.
(2) 通过定量的实验探究可以让学生对法拉第电磁感应定律有更为深刻的理性认识.
2 实验内容:探究法拉第电磁感应定律
实验器材:自主设计的演示实验装置2套.
第1套:绕有不同匝数线圈的竖直透明管;柱状强磁;电压传感器 (图1) .
图1
第2套:倾斜透明管;扇形线圈a、b;柱状强磁;电压传感器 (图2) .
图2
3 实验教学设计思路
演示实验教学重点:探究感应电动势与匝数成正比, 与磁通量的变化率成正比.
教学策略:控制变量法.
设计思路:
(1) 控制磁通量变化率
相同, 探究感应电压E与匝数n的关系.
在第1套装置中将不同匝数的线圈固定在某一位置, 测出柱状磁铁在管中下落到该位置时的电压, 可以比较得到感应电动势与匝数成正比.
(2) 控制匝数n和变化时间 Δt相同, 探究感应电压E与磁通量变化 ΔΦ 的关系.
第2套装置中a、b线圈匝数相同, 面积不等.通过该实验可以得到, 在相同的时间内可以得到感应电压与磁通量的变化成正比.该实验操作方便, 数据也比较精确, 突破了该部分的教学难点.
(3) 控制匝数n和磁通量的变化 ΔΦ 相同, 探究感应电压E与时间 Δt的关系.
通过第1套装置, 将相同匝数线圈固定在不同的位置, 从同一起点自由释放磁铁, 可以得到感应电动势与时间成反比的结论.
4 实验教学过程
(1) 探究电动势与匝数成正比的实验.
图3
实验材料:透明管, 柱形强磁铁, 漆包线, DIS电压传感器, 刻度尺.
原创设计:将漆包线绕在透明管上, 形成50 匝线圈, 100匝线圈, 200匝线圈.现将透明管竖直固定, n匝线圈套在距管口距离为h处, 线圈两端接DIS电压传感器, 如图3.这个实验装置简单, 操作方便, 实验数据采集精确快捷.
实验过程:现将圆柱形强磁铁从管口自由释放, 做自由落体运动的磁铁经过线圈时, 借助电压传感器的测量得到了U-t图线, 如图4.分别测量50匝, 100匝, 200匝线圈距管口h=20cm处的正向最大电压峰值, 记入表1.
图4
表1
数据分析:磁铁每一次从同一高度自由下落, 在线圈附近同等空间内经历的时间总是相等的, 也就是说每一次经过线圈的磁通量的变化快慢总是相等的.从表格中的数据可以看出, 感应电动势的最大值之比为0.28∶0.55∶1.11, 与线圈的匝数比1∶2∶4几乎完全一致.
实验结论:磁通量的变化率相同时, 电动势与线圈匝数成正比, 即E∝n.
(2) 电动势与磁通量变化成正比的研究.
原创设计:如图2, a、b 2个独立的扇形线圈, 匝数均为50匝, 面积之比1∶3, 并用明胶胶合在同一平面, 与透明管垂直安装.
实验过程:将该a、b扇形线圈垂直套在透明管上, 见装置2介绍.让圆柱形强磁铁从一定的高处释放, 磁铁在管中自由下落通过线圈, 用DIS电压传感器分别测出获得的感应电动势即线圈的输出电压U1和U2.实验表明, 输出电压的最大值显示出1∶3的关系.
改变经过磁铁线圈的速度, 每次的结果都是1∶3的关系.
数据分析:由于圆柱形磁铁周围磁场具有高度的对称性, a、b扇形线圈的设计也正是利用了这种对称性的特点.当磁场穿过扇形线圈时, 相同时间内a、b扇形线圈中发生的磁通量的变化之比就精确表示为1∶3.
实验结论:在相同的时间内电动势与磁通量的变化成正比, 即E∝ΔΦ.
(3) 探究感应电动势与时间成反比的实验.
原创设计:我们取上述同样的自制装置, 线圈的匝数恒为n=200匝, 并控制线圈距管口有不同的精确距离h, 每次让柱形强磁铁从透明管口自由下落.通过电压传感器采集了如表2中若干数据.
表2
实验现象:在匝数n相同的情况下, 磁铁自由下落的距离h越大, 线圈显示出的瞬时电压的最大值U也越大.
数据分析:我们尝试使用U-h图线初步观察两者的规律, 如图5.显然, 感应电动势的最大值U与h不成正比例, 从图线的走势特点看, 我们作了
图线, 如图6.发现
, 为过原点的直线.
图5
图6
如何从理论的层面作出合理的解释呢?
“磁通量变化快慢”的解释:若取线圈附近竖直方向的空间 Δy (较小) , 则线圈距离开始端口的长度无论多大, 磁铁最强处 (即磁极) 经过这段“Δy的空间”必然发生同等量的磁通量的变化.磁极经过这段“Δy的空间”的时间 Δt可以近似处理为“
”, 此处v与 Δt成反比.在 Δy较小的情况下, v又可以表示为
图线
即
.
结论:磁通量变化相同的条件下, 感应电动势的大小E与时间 Δt成反比, 即
.
实验总结:
.
5 原创设计的说明
说明1:器材的创新设计新颖独特, 操作方便, 容易推广.本组器材中透明管和柱形磁铁易购买.线圈的绕制简单, 可动性强, 在制作上充分利用了柱形磁铁周围磁场的对称性特点, 体现了新型强磁在教学上的开拓应用.在操作上应用了自由落体特点而显得简洁方便, 测量上则借助了DIS电压传感器的精确性和快捷性.
说明2:将定性说明提升为定量探究, 提高了教学的可信度.通过自主设计和制作的本组实验器材可以实现对法拉第电磁感应定律的精确探究, 创新地实现了实验中的“变量控制”.学生获得的是形象、客观、精确可信的深刻体验, 教学效果和教学品味得到质的提升.
说明3:该装置的实验功能可以进一步拓展.利用该实验装置, 还可以进一步开展一些拓展性的实验探究, 如研究磁体以不同速度穿过线圈过程中, 线圈通过的电荷量为定值;磁体穿过线圈过程中的能量关系等.
说明4:该装置的实验误差可以进一步减小.如绕制线圈更为精致, 数据会更精确