法拉第電磁感應(yīng)定律的實驗驗證設(shè)計

背景

法拉第電磁感應(yīng)定律在高中課本中只是做了定性討論后就直接給出了法拉第電磁感應(yīng)定律，而對于定律的得出，教材上并沒有給出探究的方向，也沒有實驗方案，本文目的在于為高中教學(xué)中法拉第的實驗驗證提供幾種可選擇的、具體可行的方案。

法拉第電磁感應(yīng)的內(nèi)容：電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量變化率成正比。

公式： ， 即 ；當(dāng)電動勢、磁通量、時間都取國際單位伏、韋伯、秒，比例常量 ， 此時。

本文目的就在于驗證。

提出猜想

實驗現(xiàn)象

將線圈和毫安電流表相連，插入磁鐵過程會看到電流表偏轉(zhuǎn)，說明此時產(chǎn)生了感應(yīng)電流；當(dāng)我們反向插入磁鐵時，電流表反向偏轉(zhuǎn)，電流方向相反。

用兩根磁鐵異名磁極插入時不偏轉(zhuǎn)，此時磁通量始終為零；用兩根磁鐵同名磁級插入時，偏轉(zhuǎn)越厲害，即磁通量變化越大，感應(yīng)電動勢越大。磁鐵快速插入時偏轉(zhuǎn)越厲害，電流越大，即插入時間越短，感應(yīng)電動勢越大。

實驗結(jié)論

線圈中磁通量變化越大，所用時間越短，感應(yīng)電動勢越大。

實驗猜想

從以上實驗結(jié)論中可以看出，影響感應(yīng)電動勢的因素有兩個：磁通量的變化量、變化磁通量所用的時間。由此我們可以提出以下假設(shè)：

當(dāng)磁通量變化的時間一定時，感應(yīng)電動勢與磁通量成正比，即一定，；

當(dāng)磁通量的變化量一定時，感應(yīng)電動勢與磁通量變化的時間成反比，即一定，CPipCJWsHqLQ7nPX6SAHpg== 。

當(dāng)然，上訴猜想只是基于最簡單原則，也有可能 ，，以及和三次方成正比反比。

驗證一定，

在這一個實驗中，我們要控制不變，改變。

設(shè)想改變的方法

可以改變磁鐵插入線圈的深度，但這樣就很難控制和測量改變了多少；于是，這里我們改變的方法，用一根磁鐵插入線圈以及和用兩根磁鐵同名磁極插入線圈相同深度，以此知道后者磁通量的改變量是前者的兩倍；同理，可以用三根、四根等磁鐵同名磁極插入線圈相同深度，磁通量的改變量分別是第一次的三倍、四倍等。

控制的方法：

1.通過自由落體運動控制相同

如果我們把磁鐵從同一高度靜止釋放，磁鐵落到線圈里的速度是一個確定值，由此穿過線圈的時間也是一個確定值，這種方式可以控制磁鐵穿過線圈的時間。缺點：這種方式我們會發(fā)現(xiàn)諸多問題，比如磁體穿過線圈的時間太短，電流太大，超過量程；磁鐵往往不容易掉入線圈；時間太短，電流來不及測量。

2.通過以上問題存在的缺點，我們可以改良一下設(shè)計方案，將磁鐵從斜面上滑下，可以緩沖重量，從而使其穿過線圈的時間延長，也能更好地滑入線圈。

3.我們設(shè)計了另外一種實驗方案可以很好地控制時間：如圖1所示，將木棒的一端固定一根磁鐵，另一端固定兩根磁鐵，磁極的方向如圖所示；兩個相同的電流表分別和兩個相同的線圈相連。用手拿住木棒，緩慢插入線圈，注意：插入過程兩邊的磁鐵速度要一致。在這個過程中，實驗誤差比較小。

4.實驗現(xiàn)象的觀察

在這個實驗中，由于感應(yīng)電流比較短暫，電流變化快，很難看清楚兩個電流表的示數(shù)進(jìn)行對比。

我們有兩種解決方案：

（1）兩組人同時來讀示數(shù)，一組讀表一，一組讀表二，為了對比，都讀最大值即可。

（2）可以用高速攝像機(jī)（華為手機(jī)慢動作拍攝也可）將兩個電流表的示數(shù)拍攝下來，再用軟件慢放，同時暫停幾幅圖片對比即可。

5.實驗結(jié)論

從以上實驗結(jié)果可以看出，插入兩根磁鐵時的電流示數(shù)是插入一根時的兩倍，正好滿足 。為了更有說服力，我們可以再設(shè)計一個插入三根和四根磁鐵的實驗來對比。

驗證一定，

在這一個實驗中，我們要控制不變，改變。

控制的方法

用同一塊磁鐵穿過線圈。快速和慢速穿過線圈，磁通量的變化量是一樣的，時間不一樣。

測量的方法

實驗設(shè)計方案

將磁鐵用支架固定在小車上，擋光片也固定在小車上，若小車不平衡則在后面加配重。如圖2所示：

平板上安裝光電門和線圈，調(diào)整光電門和線圈的位置，使磁鐵通過線圈時擋光片正好通過光電門，這樣磁鐵通過線圈的時間正好可以用擋光片通過光電門的時間表示出來。這里不要求磁鐵厚度和擋光片相同，即不要求磁鐵通過線圈的時間和擋光片通過光電門的時間相同，這是因為磁鐵和擋光片的速度始終相同，若磁鐵經(jīng)過線圈的時間增加兩倍，擋光片經(jīng)過光電門的時間也必增加兩倍，即磁鐵經(jīng)過線圈所用時間與擋光片經(jīng)過光電門所用時間的比值始終是一個定值。

線圈連接到微電流傳感器（因電流太大，需串聯(lián)一個電阻箱），光電門連接到數(shù)據(jù)采集器。Trie數(shù)字化實驗系統(tǒng)打開實驗《感應(yīng)電流的測量》，單擊右上角的光電門、滴定設(shè)置，選擇“直線運動、獨立測量”，下一步選擇“檔光時間、單擋光板”，下一步選上“光電門傳感器、滴定傳感器觸發(fā)采集”，數(shù)據(jù)選“檔光時間”，單擊完成。增加線，X軸選“檔光時間”，Y軸選“微電流”，單擊增加。同時為了提高精度，采集時間選20秒，間隔選2.5毫秒。我們即可開始實驗。

實驗過程中，小車滑動速度不宜過大，小車運動狀態(tài)無要求，過光電門時盡量勻速。數(shù)據(jù)采集完成后導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)即可分析。采集的感應(yīng)電流有正有負(fù)，這里我們統(tǒng)一選用正的感應(yīng)電流分析。

實驗數(shù)據(jù)

從實驗數(shù)據(jù)畫出—圖像，可以看出大致成一條直線，即 ， 即一定， 。

實驗結(jié)論

從以上實驗我們可總結(jié)實驗結(jié)論：

當(dāng)磁通量變化的時間一定時，感應(yīng)電動勢與磁通量成正比，即一定，；當(dāng)磁通量的變化量一定時，感應(yīng)電動勢與磁通量變化的時間成反比，即一定， 。

我們聯(lián)合起來寫就是：， 即法拉第電磁感應(yīng)定律。