驗證法拉第電磁感應定律的兩個創(chuàng)新實驗

秦德勝

（重慶市巴蜀中學，重慶 401120）

法拉第電磁感應定律是電磁學中一個最基本最重要的規(guī)律，它最初是一條基于觀察的實驗定律，后來被正式化，其偏導數(shù)的限制版本，跟其他的電磁學定律一塊被列為麥克斯韋方程組.它主要是基于法拉第于1831年所做的實驗，這個效應也曾被約瑟·亨利于大約同時發(fā)現(xiàn)，但法拉第的發(fā)表時間較早.

人教版選修3-2第4章“電磁感應”第4節(jié)“法拉第電磁感應定律”，只有定性的實驗介紹，沒有定量的實驗驗證，學生學習中缺少真實的感受.

教材先是根據(jù)導體棒切割磁感線速度的不同和磁鐵插入線圈的快慢的不同，所產(chǎn)生的感應電流的不同，定性判斷出感應電動勢與磁通量的變化率有關.然后，介紹1845年和1846年紐曼和韋伯的研究結(jié)果，得出感應電動勢與磁通量的變化率成正比.這似乎顯得有點生硬和強行接受之嫌.

筆者利用普通的實驗器材，設計了2個創(chuàng)新實驗，能夠很好地定量驗證法拉第電磁感應定律，既驗證了感應電動勢與磁通量的變化率成正比，又驗證了感應電動勢與線圈的匝數(shù)成正比，增強了學生的學習體驗.

1 利用磁鐵和線圈定量驗證E＝nΔΦ/Δt

實驗1：線圈匝數(shù)n一定，驗證感應電動勢與磁通量的變化率ΔΦ/Δt成正比.

按如圖1，將線圈與電流計相接，先用一根條形磁鐵從線圈的上端自由落下，插入線圈中，發(fā)現(xiàn)電流計指針偏轉(zhuǎn)了2個小格；然后，按如圖2，用2根相同的條形磁鐵并在一起，從線圈上端相同的高度自由落下，插入線圈中，磁通量的變化率為原來的2倍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電流計指針偏轉(zhuǎn)了4個小格，也為原來的2倍.初步說明感應電動勢與磁通量變化率成正比.

圖1

圖2

實驗2：磁通量的變化率ΔΦ/Δt一定，驗證感應電動勢與線圈匝數(shù)n成正比.

再按如圖3，用另一個匝數(shù)減半、電阻不變的線圈與圖1所示的電流計相接，用一根條形磁鐵從線圈上端相同的高度自由落下，插入線圈中，發(fā)現(xiàn)電流計指針偏轉(zhuǎn)了1個小格，產(chǎn)生的感應電動勢是圖1中的一半，初步說明感應電動勢與線圈匝數(shù)n成正比.

圖3

2 利用變壓器定量驗證E＝nΔΦ/Δt

實驗3：磁通量的變化率ΔΦ/Δt一定，驗證感應電動勢與線圈匝數(shù)n成正比.

按如圖4，將變壓器的原線圈與學生電源的交流電壓輸出端相接，副線圈與數(shù)字多用電表的交流電壓擋相接，分別測出副線圈匝數(shù)為n1＝2000匝、n2＝8000匝、n3＝14000匝的感應電動勢分別為E1＝4.7V≈5V、E2＝19.8V≈20V、E3＝34.6V≈35V，在誤差范圍內(nèi)有n1∶n2∶n3＝E1∶E2∶E3，說明感應電動勢與線圈匝數(shù)n成正比.

圖4

實驗4：線圈匝數(shù)n一定，驗證感應電動勢與磁通量的變化率ΔΦ/Δt成正比.

按如圖5，將數(shù)字多用電表的交流電壓擋與副線圈匝數(shù)n1＝2000匝固定相接，用改變原線圈的輸入電壓來改變磁通量的變化率，分別將磁通量變化率增大為原來的2倍、3倍、4倍、5倍，測得副線圈產(chǎn)生的感應電動勢記錄如表1所示.

表1

圖5

圖6

作出E-ΔΦ/Δt圖像如圖6所示，可以看出：感應電動勢與磁通量的變化率成正比.