“法拉第電磁感應(yīng)定律”的實(shí)驗(yàn)探究

李化育

【關(guān)鍵詞】 物理教學(xué)；法拉第電磁感應(yīng)定律；實(shí)驗(yàn)；探究

【中圖分類號(hào)】 G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 1004—0463（2016）16—0124—01

1. 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與Δt的關(guān)系（控制ΔΦ相同）

思路：線圈附近豎直方向較小的空間Δx，磁鐵經(jīng)過這段空間時(shí)發(fā)生的磁通量的變化量相同。磁鐵經(jīng)過的時(shí)間Δt可近似處理為Δt=（h為磁鐵下落的距離）。因此，在兩次實(shí)驗(yàn)中，=，則=，感應(yīng)電流之比為1：2。兩次的電路完全相同，包括萬(wàn)用表的檔位，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比為1：2。實(shí)驗(yàn)說明在ΔΦ相同的情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小與Δt成反比。

過程：將長(zhǎng)直PVC管以cm為單位標(biāo)上刻度后豎直固定在鐵架臺(tái)上，100匝的線圈套在管的外側(cè)。第一次將線圈移動(dòng)至距離上端管口10cm處，從管口中心自由釋放強(qiáng)磁鐵。當(dāng)磁鐵穿過線圈時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)微電流放大器放大后在萬(wàn)用表上指針讀數(shù)體現(xiàn)，最大讀數(shù)為240μA；第二次將該線圈向下移動(dòng)至距離上端管口40cm處，再次釋放強(qiáng)磁鐵，最大讀數(shù)為480μA。

困難：再次使用完全相同的實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行時(shí)，再也沒有出現(xiàn)上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。線圈置于10cm處時(shí)，磁鐵通過線圈時(shí)電表的示數(shù)仍為240μA；置于40cm處時(shí)，電表的示數(shù)為380μA。兩次實(shí)驗(yàn)的感應(yīng)電流之比為1：1.58，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比為1：1.58，不能說明在ΔΦ相同的情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小與Δt成反比。這樣的結(jié)果讓人頓時(shí)不知所措，多次重復(fù)，結(jié)果依然如此。

反思：認(rèn)真分析，可能是如下原因：磁鐵的運(yùn)動(dòng)近似自由落體，當(dāng)下落10cm時(shí)，速度可達(dá)到v===1.4m/s，磁鐵的長(zhǎng)度h=3cm，通過線圈所用時(shí)間為Δt===0.02s；當(dāng)下落40cm時(shí)，速度可達(dá)到v===2.8m/s。通過線圈所用時(shí)間為Δt===0.01s。對(duì)表頭是磁偏轉(zhuǎn)式的萬(wàn)用表，指針的偏轉(zhuǎn)跟不上感應(yīng)電流變化的節(jié)奏，很可能得到的240μA和380μA并不是磁鐵穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的最大電流值。對(duì)第一次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果240μA和480μA，只能是偶然現(xiàn)象。

調(diào)整：實(shí)驗(yàn)裝置、過程不變的前提下，使用電壓傳感器對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期一致。

2. 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與ΔΦ的關(guān)系（控制Δt相同）

思路：如右圖，在木板兩端分別固定不同根數(shù)的相同條形磁鐵，保持木板兩端同步拔出左右兩個(gè)完全相同的線圈時(shí)，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)顯示感應(yīng)電流大小，兩電路電阻完全相同，感應(yīng)電流之比等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比。

過程一：木板左右兩端分別固定一根和兩根磁鐵，同步拔出時(shí)，兩電流計(jì)顯示指針偏轉(zhuǎn)格數(shù)分別為兩格和四格。

過程二：木板左右兩端分別固定一根和三根磁鐵，同步拔出時(shí)，兩電流計(jì)顯示指針偏轉(zhuǎn)格數(shù)分別為兩格和六格。

3.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈匝數(shù)n的關(guān)系

思路：完全相同的條形磁鐵，線圈面積相同，磁鐵均位于線圈中央，同步提起保證Δt相同，這樣單匝線圈的磁通量變化率相同，此時(shí)有E正比于n。

過程：左右兩側(cè)的線圈匝數(shù)分別為36匝和74匝，磁鐵各一根，將兩線圈置于同樣高度，從另一高度同步釋放木板，兩磁鐵穿過線圈時(shí)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)分別為兩格和三格半，重復(fù)多次，結(jié)果無(wú)太大變化。

反思：如果左右兩電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)之比為1：2（36：74=1：2.06），則可以說明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)成正比。但實(shí)際電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)之比為2：3.5=1：1.75，用來說明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)成正比有些牽強(qiáng)。分析原因，匝數(shù)不同，電路電阻不同，感應(yīng)電流之比不等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比。

調(diào)整：實(shí)驗(yàn)裝置、過程不變的前提下，使用電壓傳感器對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如下。

記錄：線圈匝數(shù)比==，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比==

結(jié)論：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E正比于

（注：本文系甘肅省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度《高中物理教學(xué)策略和教學(xué)模式的研究》研究成果，課題批準(zhǔn)號(hào)（2012）GSG006）編輯：謝穎麗