陳 健

(蘇州工業(yè)園區(qū)星海實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

1 背景介紹

法拉第電磁感應(yīng)定律在高中電磁感應(yīng)部分是一條非常重要的物理規(guī)律,其內(nèi)容是:閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比.針對(duì)這一節(jié)內(nèi)容,人教版物理選修3-2中是這樣處理的:首先讓學(xué)生體會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量變化率的定性關(guān)系,隨后直接給出法拉第電磁感應(yīng)定律的具體內(nèi)容,并沒有實(shí)驗(yàn)探究的過程.將本節(jié)的重點(diǎn)放在了法拉第電磁感應(yīng)定律的理解和應(yīng)用上.[1]這樣的處理方法也符合這一物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的歷史.然而,在實(shí)際教學(xué)過程中,在直接告知學(xué)生這一規(guī)律時(shí),學(xué)生或多或少有一絲疑問,實(shí)際產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是否真如法拉第電磁感應(yīng)定律所描述的那樣.當(dāng)然,我們可以選擇探究性實(shí)驗(yàn)來得出這一規(guī)律,但這一實(shí)驗(yàn)過程較為復(fù)雜,對(duì)實(shí)驗(yàn)器材要求較高.[2-4]因此,我們認(rèn)為可以在告知學(xué)生這一物理規(guī)律之后,輔以一個(gè)簡潔的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),既能直接解決學(xué)生的疑問,也有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證的意識(shí),實(shí)事求是,不迷信權(quán)威.[5]同時(shí),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程本身也是應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律這一規(guī)律的過程,也能幫助學(xué)生更好地理解這一規(guī)律.[6]以下即為定量驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì).

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)思路

2.2 存在的問題和解決方案

2.2.1 如何獲得隨時(shí)間均勻變化的勻強(qiáng)磁場

按照上述實(shí)驗(yàn)思路,我們需要測量出一段時(shí)間內(nèi)線圈中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢的實(shí)際值,而電壓表和電流表等器材只能得到瞬時(shí)值,因此我們需要一個(gè)隨時(shí)間均勻變化的勻強(qiáng)磁場.這樣就能確保在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為一定值,便于測量.

圖1 洛倫茲力演示儀產(chǎn)生的磁場隨時(shí)間變化的圖像,

2.2.2 如何測量微小的電動(dòng)勢

為了驗(yàn)證線圈中實(shí)際產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是否和上述理論值一致,我們需要將線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢具體測量出來.以一個(gè)邊長為10 cm、匝數(shù)為100匝的線圈為例,在上述變化的磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大約在10-3V量級(jí),而實(shí)驗(yàn)室中并沒有這么小量程的電壓表.為了測量微小的感應(yīng)電動(dòng)勢,我們可以借助于微電流傳感器.分別測量出線圈的電阻r和微電流傳感器的電阻R,以及在磁場變化的過程中電流的大小I.根據(jù)閉合電路的歐姆定律,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的實(shí)際值就可以表述為E實(shí)際值=I(R+r).將這一實(shí)際值和理論值進(jìn)行比較,就能夠驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的準(zhǔn)確性.

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

在上述討論的基礎(chǔ)上,我們可以畫出本次實(shí)驗(yàn)的電路圖(如圖2所示):1表示的是洛倫茲力演示儀上的兩個(gè)線圈,用于產(chǎn)生均勻變化的磁場;2表示的是位于磁場中的線圈,磁場發(fā)生變化時(shí),線圈中有感應(yīng)電動(dòng)勢;3表示的是磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器,可直接讀出線圈2所處位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度;4表示的是微電流傳感器,可記錄線圈2中的電流.根據(jù)這一電路圖,我們也可以連出實(shí)驗(yàn)用的實(shí)物圖(如圖3所示).在連接各個(gè)元件的過程中,有幾點(diǎn)需要注意的地方:首先,線圈在放置的過程中,要保證線圈平面與磁場方向垂直,以確保磁通量計(jì)算的準(zhǔn)確性;其次,由于磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量性,磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器放置時(shí)也要注意其方向,確保測量的磁感應(yīng)強(qiáng)度就是穿過線圈的磁場的強(qiáng)弱.

1—洛倫茲力演示儀；2—位于磁場中的線圈；3—磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器；4—微電流傳感器

圖3 法拉第電磁感應(yīng)定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

連接實(shí)物圖前,我們還需要測量出線圈的匝數(shù)、面積、電阻,以及微電流傳感器的電阻.在本次實(shí)驗(yàn)中,我們選擇了正方形線圈,實(shí)驗(yàn)前,先測量其邊長、匝數(shù),計(jì)入表格中;并用多用電表測量出線圈的電阻和微電流傳感器的電阻,一并計(jì)入表1中.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

實(shí)驗(yàn)操作時(shí),需要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流旋鈕,以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小,進(jìn)而改變通過線圈中的磁場的強(qiáng)弱.由于這一過程是手動(dòng)操作,因此要盡可能地保證勻速轉(zhuǎn)動(dòng),以保證磁場的強(qiáng)弱隨時(shí)間均勻變化.將磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器和微電流傳感器連入電腦后,可以得到如圖4所示的圖像.其中橫坐標(biāo)為時(shí)間,左側(cè)縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度,右側(cè)縱坐標(biāo)為電流.選取一段時(shí)間(在這段時(shí)間內(nèi)磁場隨時(shí)間變化的圖像盡可能為一條直線),讀出相應(yīng)的時(shí)間、磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化以及電流,將數(shù)據(jù)計(jì)入表格中.并計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢的實(shí)際值和理論值.

圖4 感應(yīng)電流隨磁場變化的圖像,橫坐標(biāo)為時(shí)間,左側(cè)縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度,右側(cè)縱坐標(biāo)為電流

從計(jì)算結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn),感應(yīng)電動(dòng)勢的實(shí)際值和理論值比較接近;改變轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕的速度,多次實(shí)驗(yàn),仍能得到這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果.至此,我們可以得出這一結(jié)論:法拉第電磁感應(yīng)定律確實(shí)是準(zhǔn)確的.當(dāng)然,測量值和理論值仍有一定的誤差,這一誤差可能來源于幾個(gè)方面:首先,洛倫茲力演示儀產(chǎn)生的磁場并非是理想化的勻強(qiáng)磁場,不同位置處的磁場有微小的差別;其次,放入磁場中的線圈匝數(shù)較多,導(dǎo)致內(nèi)層和外層線圈的面積有所不同;同時(shí),線圈面積的測量,線圈和傳感器電阻的測量以及從圖像中讀取數(shù)據(jù)(尤其是感應(yīng)電流的讀數(shù),其大小隨時(shí)間仍然有微小的波動(dòng)),也都會(huì)帶來一定的誤差,導(dǎo)致測量值和理論值有一定的偏差.在后續(xù)的改進(jìn)中,我們可以嘗試尋找更好地易于調(diào)節(jié)的勻強(qiáng)磁場,來進(jìn)行驗(yàn)證.以上實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)和實(shí)施的過程中,還有一點(diǎn)值得注意,那就是各個(gè)物理元件的量程.磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器有一定的量程,這就要求產(chǎn)生的磁場不能太強(qiáng),否則會(huì)超出量程;也不能太弱,磁場太弱會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)誤差較大.微電流傳感器也有一定的測量范圍,也要保證其讀數(shù)在合理的范圍內(nèi),因此在調(diào)節(jié)磁場變化時(shí)也要考慮這一因素,才能確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行.

4 總結(jié)和展望

在本文中,我們介紹了一種驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).通過比較在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的測量值和理論值,驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的準(zhǔn)確性.其原理只涉及法拉第電磁感應(yīng)定律和閉合電路的歐姆定律,較為簡便,實(shí)際教學(xué)過程中學(xué)生也很容易理解和接受.而在課本的基礎(chǔ)上添加這一驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),既是讓學(xué)生驗(yàn)證這一規(guī)律的準(zhǔn)確性,也是使學(xué)生在驗(yàn)證規(guī)律的同時(shí),也能更好地理解法拉第電磁感應(yīng)定律以及感生電動(dòng)勢的產(chǎn)生,加深知識(shí)的理解和內(nèi)化.