法拉第電磁感應(yīng)定律4種定量探究方案的課堂實(shí)踐對(duì)比

施 堅(jiān)

(江蘇省梁豐高級(jí)中學(xué),江蘇 張家港 215600)

法拉第電磁感應(yīng)定律4種定量探究方案的課堂實(shí)踐對(duì)比

施 堅(jiān)

(江蘇省梁豐高級(jí)中學(xué),江蘇 張家港 215600)

新課改督促教師大膽創(chuàng)新,鼓勵(lì)探究,人教版“法拉第電磁感應(yīng)定律”是一節(jié)物理規(guī)律新授課,但教材并沒(méi)有展開(kāi)規(guī)律的探究過(guò)程,這需要教師進(jìn)行教材的二次開(kāi)發(fā).本文對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的4種定量或半定量探究方案的課堂實(shí)踐進(jìn)行了對(duì)比分析．

定性;定量;實(shí)驗(yàn)探究;課堂

某市舉行的“關(guān)于法拉第電磁感應(yīng)定律”4節(jié)“同課異構(gòu)”名師課堂展示,現(xiàn)場(chǎng)先后4位教師均分別從定性實(shí)驗(yàn)分析探討影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素,猜想感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與相關(guān)量的可能數(shù)學(xué)關(guān)系,再設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與相關(guān)量的具體關(guān)系,各具匠心地設(shè)計(jì)了4種截然不同的定量或半定量的研究方案,亮點(diǎn)紛呈．

方案1.可拆變壓器+小燈泡

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

可拆交流演示變壓器1個(gè),多用電表1只,小燈座1個(gè),3.8 V小燈泡1只,長(zhǎng)約3 m的導(dǎo)線1根,220 V交流電源.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

圖1

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

步驟2:除去副線圈,換上長(zhǎng)導(dǎo)線纏繞在鐵芯上代替副線圈,并將導(dǎo)線兩端與小燈泡串接成閉合線路,同時(shí)將已調(diào)至交流電壓擋的多用電表與小燈泡并聯(lián),將橫軛開(kāi)口距離調(diào)至3 mm左右．隨著纏繞在鐵芯上的線圈匝數(shù)增多,可以觀察到小燈泡從不亮到亮的變化過(guò)程;在繞到第4匝時(shí),燈絲微微發(fā)光;當(dāng)線圈繞到20匝左右,小燈泡已經(jīng)比較亮了．繞線過(guò)程中,觀察多用電表上交流電壓讀數(shù),發(fā)現(xiàn)每多繞一匝導(dǎo)線,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)約增大0.1 V,可得出E與n成線性遞增關(guān)系．

誤差分析:纏繞導(dǎo)線時(shí),開(kāi)口處的鐵芯內(nèi)上、下不同的位置,磁感線的分布有所不同,從而影響各處的ΔΦ/Δt．因此,在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量使導(dǎo)線繞在鐵芯下部的同一位置附近．同時(shí),該實(shí)驗(yàn)中變壓器原線圈所接為220 V市電,因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)考慮安全和迅速,這也給整個(gè)實(shí)驗(yàn)的儀表示數(shù)讀取和記錄提出了較高的要求,某種程度上也增加了誤差．而且,由于自感作用,環(huán)繞導(dǎo)線中會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),因此電壓表的示數(shù)會(huì)有一個(gè)逐漸增大的過(guò)程．

方案1簡(jiǎn)單直觀,帶給學(xué)生比較震撼的物理現(xiàn)象,能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,但讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究參與程度不是很高,而且學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握不足可能會(huì)導(dǎo)致教師的預(yù)設(shè)和學(xué)生的理解的脫節(jié)．因此,該實(shí)驗(yàn)中“橫軛抽動(dòng)”和“環(huán)繞線圈點(diǎn)亮小燈泡”作為課堂引入實(shí)驗(yàn)來(lái)引發(fā)學(xué)生進(jìn)行“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可能影響因素的猜想”更為合適些．

方案2.幀分析+傳感器

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

可拆交流演示變壓器2個(gè),靈敏電流計(jì)2只,示波器1臺(tái)，條型磁鐵3根,導(dǎo)線若干,蘋(píng)果手機(jī)(或IPAD)一部,蘇威爾數(shù)據(jù)采集器和毫伏電壓傳感器.

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)閉合電路歐姆定律,感應(yīng)電流的大小總是與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比,即可采用靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)來(lái)代替感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。?yàn)樗镁€圈均是銅導(dǎo)線制作,可視作內(nèi)阻不計(jì)．若要探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量變化量ΔΦ的關(guān)系,應(yīng)該控制線圈匝數(shù)不變和插(拔)用時(shí)Δt不變,改變磁鐵的條數(shù)并從同一位置完成完整插入(或拔出)以實(shí)現(xiàn)磁通量變化量ΔΦ成倍變化,插(拔)快慢不變可以人為地控制同一人的最快速度,同樣通過(guò)記錄靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)(或示波器示數(shù))以代表感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大?。?/p>

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

步驟1:幀分析瞬時(shí)值實(shí)現(xiàn)突破E∝ΔΦ實(shí)驗(yàn)“困難點(diǎn)”．教師啟發(fā)并匯總學(xué)生在教材E∝ΔΦ探究實(shí)驗(yàn)方案中遇到的困難:因?yàn)槠D(zhuǎn)太快，靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)很難正確讀??； 插(拔)快慢Δt不變僅以同一人的最快速度來(lái)控制,很難把握……

教師啟發(fā)并演示“桿連磁鐵拔出”實(shí)驗(yàn)(如圖2):對(duì)“兩根條形磁鐵同一高度自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)間一定相同”進(jìn)行逆向思維,即通過(guò)條形磁鐵條數(shù)的不同(一端夾有一根磁鐵,一端夾有兩根磁鐵)來(lái)實(shí)現(xiàn)ΔΦ的倍數(shù)關(guān)系,通過(guò)桿連磁鐵同時(shí)從線圈中拔出來(lái)突破時(shí)間Δt相同這一“困難點(diǎn)”,并借助蘋(píng)果手機(jī)的iTools軟件的鏡像及慢鏡頭播放兩大功能,以便觀察靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)(即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小),多次對(duì)比讀取兩表偏轉(zhuǎn)格數(shù),得出幾乎全過(guò)程兩表的平均值倍數(shù)關(guān)系．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:兩根磁鐵實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)分布是一根磁鐵時(shí)的1倍到3倍之間,多數(shù)在2倍左右,即在誤差允許范圍內(nèi),可以粗略認(rèn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量變化量ΔΦ成正比,即E∝ΔΦ．

圖2

圖3

步驟3:借助毫伏電壓傳感器,換用2倍匝數(shù)的線圈(均視作為電阻可忽略),實(shí)驗(yàn)方法同于步驟2的落體運(yùn)動(dòng)或斜面下滑運(yùn)動(dòng),控制磁通量變化量ΔΦ和快慢時(shí)間Δt不變,探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n的關(guān)系,如圖4所示,后者峰值為前者2倍．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在誤差允許范圍內(nèi),當(dāng)匝數(shù)2倍時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為前者的2倍,即E∝n．

圖4

誤差分析:在步驟1中有多處引起誤差的可能原因: ① 由于磁感應(yīng)強(qiáng)度為矢量,兩根條形磁鐵疊放時(shí)磁感線的分布已經(jīng)不是一根條形磁鐵的磁感線簡(jiǎn)單的2倍關(guān)系．② 一根磁鐵相對(duì)于線圈的幾何位置與兩根磁鐵相對(duì)于線圈的幾何位置有一定的差異,導(dǎo)致拔出過(guò)程磁通量的變化量不完全是2倍關(guān)系．③ 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中偏轉(zhuǎn)格數(shù)讀取的誤差．④ 用手控制桿的上提過(guò)程不一定完全水平．在步驟2中,條形磁鐵初始下落高度不同時(shí),其實(shí)對(duì)應(yīng)后續(xù)實(shí)驗(yàn)涉及的ΔΦ已不完全相同,只是差異不是很大,是一種較為粗略的方案．另外,整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案都把線圈的電阻視作為零,從而認(rèn)為靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)格數(shù)正比對(duì)應(yīng)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小,這顯然也是一種較為粗略的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因?yàn)閷?shí)際線圈電阻不可能為零,而且線圈匝數(shù)越多電阻越大,只是這些電阻對(duì)于靈敏電流計(jì)而言顯得相對(duì)還是比較小的．這些誤差教師需要向?qū)W生交代和分析,可以有效培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析問(wèn)題中思維的嚴(yán)謹(jǐn)和深度．

方案3.光電門(mén)與毫伏電壓傳感器同步

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

蘇威爾數(shù)據(jù)采集器、光電門(mén)傳感器、毫伏電壓傳感器、磁場(chǎng)傳感器、方形線圈(可更換)、小車(chē)、軌道、擋光片、條形磁鐵等.

圖5

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

將方形線圈的接線柱與毫伏電壓傳感器相連,并設(shè)置與光電門(mén)傳感器同步采集,即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在擋光片擋光始、末之間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．其中毫伏電壓傳感器內(nèi)阻很大,而方形線圈的電阻很小,因此組成的回路中獲得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以認(rèn)為即為毫伏電壓傳感器的電壓示數(shù)．

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖6

步驟2:探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)n的關(guān)系．軌道末端適當(dāng)墊高,在某處?kù)o止釋放小車(chē),在軟件界面上讀取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值;換用2倍匝數(shù)的線圈(均視作為電阻可忽略),注意外形和尺寸和原來(lái)的方形線圈盡量一致,在軌道的相同位置再次靜止釋放小車(chē),再次讀取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值,幾乎為前者的2倍．即可認(rèn)為在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈匝數(shù)成正比,即E∝n．

步驟3:探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化量ΔΦ的關(guān)系．更換外形相同但磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的條形磁鐵(可課前用磁場(chǎng)傳感器在距離磁鐵相同距離情況下先行測(cè)定,得到對(duì)應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系),同于步驟2在一端墊高的軌道上某處?kù)o止釋放,來(lái)分別讀取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值,發(fā)現(xiàn)兩次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的倍數(shù)關(guān)系幾乎同于磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度的倍數(shù)關(guān)系．即可認(rèn)為在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化量成正比,即E∝ΔΦ．

誤差分析:方案3相對(duì)于方案2,因?yàn)樗檬呛练妷簜鞲衅?其內(nèi)阻非常大,因此線圈電阻顯得非常小,即使是換匝數(shù)稍多些的線圈,也可以忽略,因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的讀數(shù)更為精準(zhǔn)．因?yàn)槭褂玫氖菙?shù)據(jù)采集器,即使是在光電門(mén)與電壓傳感器同步的情況下,快速滑動(dòng)小車(chē)可能會(huì)帶來(lái)響應(yīng)不及時(shí),還有小車(chē)上遮光片微小晃動(dòng)影響擋光時(shí)間,這些都會(huì)帶來(lái)一定的誤差．

方案3借助光電門(mén)與毫伏電壓傳感器同步功能巧妙而直觀地讀取了擋光片擋光過(guò)程中的電動(dòng)勢(shì),而且由于光電門(mén)獲取速度利用了v=Δx/Δt,即為平均速度,因此實(shí)際上電壓傳感器讀取的是平均電動(dòng)勢(shì),但由于軟件過(guò)于智能化,學(xué)生沒(méi)有看到這樣的一個(gè)處理過(guò)程,可能會(huì)認(rèn)為讀取的是過(guò)程中的電動(dòng)勢(shì)最大值,因此需要教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向?qū)W生講清．但這個(gè)方案相對(duì)誤差比較大,繪制的E-v圖像的直線距離原點(diǎn)有一定偏差,需要進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案．

方案4.自制“法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀”教具+傳感器

4.1 實(shí)驗(yàn)器材(核心部件)

自制“法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀”教具(TSUKASA馳卡沙7字形、24 V全金屬減速電機(jī)1部,電機(jī)調(diào)速板1塊,聯(lián)想19 V、3.42 A筆記本電源1組,數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)配霍爾探頭1組,如圖7所示),銅絲繞制的20匝、50匝、100匝方形線圈各1個(gè)、柱形強(qiáng)磁鐵一枚,蘇威爾數(shù)據(jù)采集器、毫伏電壓傳感器、磁場(chǎng)傳感器．

圖7

4.2 實(shí)驗(yàn)原理

利用減速電機(jī)調(diào)速旋鈕可以實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速n的變化,其中圖中橫桿右側(cè)有一強(qiáng)磁性柱形小磁鐵(可更換磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的磁鐵),當(dāng)它在減速電機(jī)的帶動(dòng)下每旋轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過(guò)圖中霍爾探頭元件時(shí),霍爾探頭內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)電流脈沖,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能;橫桿右側(cè)磁鐵旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)上方方形線圈(可插拔更換為20匝、50匝、100匝等不同匝數(shù))時(shí),線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化,線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．而方形線圈的接線柱與數(shù)據(jù)采集器和毫伏電壓傳感器相連后,因?yàn)槠渲泻练妷簜鞲衅鲀?nèi)阻很大,方形線圈的電阻卻很小,因此組成的回路中獲得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以認(rèn)為即為毫伏電壓傳感器的電壓示數(shù)．

4.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

步驟1:教師介紹感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的本質(zhì)是線圈中的磁通量發(fā)生變化,可以是磁鐵的縱向靠近或遠(yuǎn)離,還可以是橫向靠近或遠(yuǎn)離,直線或圓周,從而引出自制教具“法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀”并簡(jiǎn)要介紹其工作原理．

圖8

圖9

步驟3:探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化量的關(guān)系．更換外形相同但磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的柱形強(qiáng)磁鐵(可課前用磁場(chǎng)傳感器在距離磁鐵相同距離情況下先行測(cè)定,得到對(duì)應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系),分別約為0.018 T和0.012 T,即約為1.5倍關(guān)系．教師引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)探究思路:選擇某轉(zhuǎn)速(例如49.8 r/min),分別在轉(zhuǎn)動(dòng)桿末端相同位置放上上述兩強(qiáng)磁鐵,并分別采集和讀取t軸上方圖像的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值(例如分別為29.99 mV和20.12 mV),對(duì)比前后兩次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值關(guān)系,即幾乎也為1.5倍關(guān)系．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量變化量成正比,即E∝ΔΦ．

步驟4:探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈匝數(shù)的關(guān)系．換用同外形、同材料的50匝方形線圈,同樣采集轉(zhuǎn)速n′(例如76.9 r/min)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),對(duì)比前后讀取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值(例如分別為35.03 mV和17.89 mV),幾乎為2倍關(guān)系．實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在誤差允許范圍內(nèi),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n成正比,即E∝n．教師引導(dǎo):是否能從理論上加以證明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n的正比關(guān)系?(教師演示導(dǎo)線在空方框上的繞制過(guò)程以啟發(fā)學(xué)生)得出結(jié)論:線圈每一匝之間是串聯(lián),而在相同時(shí)間內(nèi)每一匝都會(huì)有相同的磁通量變化,產(chǎn)生了相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),因此,總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是每匝的累加,即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n成正比．

誤差分析:方案4相對(duì)于方案3有了進(jìn)一步的優(yōu)化，從EXCEL圖像可以直觀地看到正確率更高,這應(yīng)該與電機(jī)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速測(cè)定有關(guān),而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)于方案3更具有穩(wěn)定性．

方案4突破了前面3個(gè)方案較為模糊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值概念,通過(guò)傳感器軟件精確選取讀數(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了可視化．另該方案引入了理論探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)n的關(guān)系,可以讓學(xué)生對(duì)規(guī)律的理解更為深入,也突破了實(shí)驗(yàn)結(jié)果受數(shù)據(jù)和次數(shù)的局限性．

科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)最為重要兩大因素,這也決定了物理規(guī)律的得出過(guò)程不應(yīng)是簡(jiǎn)單地教師推導(dǎo),而應(yīng)成為學(xué)生在教師引導(dǎo)下的“再創(chuàng)造”和思維進(jìn)階的過(guò)程,無(wú)論是定性到定量,還是實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論,以及多種方案的評(píng)價(jià)對(duì)比,都是新課改應(yīng)該可以嘗試的方向．

2017-02-12)

本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度重點(diǎn)課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理圖景教學(xué)實(shí)踐研究”(編號(hào):B-b/2015/02/133)和江蘇省中小學(xué)教研2015年度立項(xiàng)課題“新課程高中物理試題探究能力考查的應(yīng)用研究”(2015JK11-L085)階段性成果之一．