“用DIS傳感器探究法拉第電磁感應(yīng)定律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

夏煜明

（重慶市銅梁中學(xué)校）

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景分析

（一）教材與學(xué)情分析

本節(jié)內(nèi)容是針對(duì)人教版教材選修3-2第4章的第4節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)。法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理電磁學(xué)部分的重要內(nèi)容。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)這一部分的要求是Ⅱ級(jí)，要求掌握法拉第電磁感應(yīng)定律，能計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。教材上這部分只有定性的實(shí)驗(yàn)介紹，沒有定量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，教材這部分的引入，主要是基于第2節(jié)的兩個(gè)定性實(shí)驗(yàn)，然后，教材直接介紹公式和推導(dǎo)，這讓學(xué)生在理解這部分內(nèi)容的時(shí)候，特別是對(duì)公式E=nΔΦ/Δt中磁通量變化率以及與線圈匝數(shù)n的定量關(guān)系理解困難。因此，筆者希望通過利用DIS微電壓傳感器對(duì)第2節(jié)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，讓學(xué)生不僅能夠定性地探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生條件，而且能夠?qū)Ψɡ陔姶鸥袘?yīng)定律進(jìn)行探究或驗(yàn)證，幫助學(xué)生理解公式。

（二）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)對(duì)教材第2節(jié)模仿法拉第的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，在感應(yīng)電路中用DIS微電壓傳感器代替電流計(jì)，用條形磁鐵直接代替通電螺線管，并且增加了用單根和兩根條形磁鐵同時(shí)插入、抽出相同螺線圈，用一根條形磁鐵以相同速度插入、抽出可調(diào)多匝線圈進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

（三）實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)通過閉合電路的磁通量改變時(shí)，閉合電路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與閉合電路的線圈、磁通量的變化率成正比，即E=nΔΦ/Δt。若保持變化的時(shí)間一樣，就要改變磁通量的變化量，來研究磁通量的變化量對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響。若保持磁通量的變化率一樣，就要改變線圈的匝數(shù)，來研究線圈匝數(shù)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)重、難點(diǎn)

重點(diǎn)：通過實(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)驗(yàn)探究，理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與閉合電路的線圈匝數(shù)、磁通量變化率的關(guān)系。

難點(diǎn)：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率的關(guān)系。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。探究實(shí)驗(yàn)一：用兩個(gè)完全相同的原線圈，一個(gè)內(nèi)部放一根條形磁鐵，另一個(gè)內(nèi)部放兩根條形磁鐵，同時(shí)采集磁鐵以相同的速度從兩個(gè)線圈中拔出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。改變磁鐵拔出的速度，采集多組數(shù)據(jù)，比較兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E∝ΔΦ。

探究實(shí)驗(yàn)二：用一根條形磁鐵穿過可調(diào)線圈，開始時(shí)選擇2000匝，第二次選擇4000匝。分別采集磁鐵以相同的速度從兩個(gè)線圈中拔出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，采集多組數(shù)據(jù)，比較兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2。在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E∝n。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要用到實(shí)驗(yàn)觀察法、分析法、實(shí)驗(yàn)歸納法、講授法。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

【引入課題】 師：（多媒體展示）近年來，無線充電手機(jī)、無線充電汽車逐漸進(jìn)入人們的視野，引起了大家的關(guān)注。那么無限充電的原理是什么呢？

【復(fù)習(xí)導(dǎo)入】 師：（多媒體展示）第2節(jié)的模擬法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)。

【提出問題】 師：（多媒體展示）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生條件是否和感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件一樣呢？

【猜想假設(shè)】（引導(dǎo)學(xué)生）猜想：閉合回路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小可能與磁通量的變化、線圈的匝數(shù)有關(guān)。

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】（引導(dǎo)）生：在螺旋線的兩端直接接電壓表來測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（教師解釋由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小，實(shí)驗(yàn)室的電壓表不能直接測(cè)量出來，因此這里我們采用DIS微電壓傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓表進(jìn)行測(cè)量。）

【實(shí)驗(yàn)探究】 教師先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以邊實(shí)驗(yàn)邊給學(xué)生講解一下DIS微電壓傳感器的原理和使用注意事項(xiàng)，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)探究，做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與記錄。下列是兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)圖表。

【分析討論】 教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)得出的實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分析，不同顏色代表不同的傳感器測(cè)得的電壓值。

圖1 同時(shí)從螺線管中抽出兩根（左）和一根（右）磁鐵時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)圖像

圖2 從可調(diào)螺線管中（左圖2000匝，右圖4000匝）抽出磁鐵時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)圖像

從圖1、圖2中可以看出，二者的電壓值近似為2倍。

【得出結(jié)論】 閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，跟閉合電路的匝數(shù)成正比。

五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理也較為簡(jiǎn)便，能夠較好地幫助學(xué)生理解閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化率、閉合電路的線圈匝數(shù)之間的關(guān)系，希望這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫酵茝V應(yīng)用。