“法拉第電磁感應定律”的半定量實驗介紹

張國棟 王月

(哈爾濱師范大學附屬中學 黑龍江 哈爾濱 150080)(黑龍江省實驗中學 黑龍江 哈爾濱 150001)

1 器材介紹

圖1為實驗裝置圖.器材包括羽毛球線(未展示，用來拴著木棒)、木棒、兩片強磁鐵、有機玻璃管、標尺、樂扣盒、襯底、工字軸、漆包線、銅接線柱、微安表、導線.接下來挑重點進行介紹.

圖1 實驗裝置

(1)強磁鐵：如圖2所示，共兩片，直徑為20 mm，厚度為3 mm，表面磁場約130 mT.

圖2 強磁鐵

(2)有機玻璃管：如圖3所示，內(nèi)徑22 mm，外徑26 mm，高度700 mm，標尺來自廣告印刷社.管子的底部打有小孔(未展示)，有利于磁鐵下方壓縮空氣的排出.

圖3 有機玻璃管

(3)盒子、襯底與螺絲：如圖4所示，正方形樂扣盒，底邊長12 cm，可恰好將除了管子以外的所有實驗裝置放入盒中，既是實驗儀器，又是儲物盒.盒蓋中心用開孔器開孔，孔徑28 mm.襯底為三層KT板，最上面一層打孔.這樣既可以幫助管子保持直立，又對下落的磁鐵起到緩沖作用.螺絲均為銅制，防止磁鐵與鐵質(zhì)螺絲相互吸引影響實驗的效果.

圖4 盒子、襯底與螺絲

(4)工字軸：如圖5所示，用來做線圈骨架，高26 mm,內(nèi)徑28 mm.

圖5 工字軸

(5)色環(huán)電阻：47 Ω，連接到接線柱“N”處.

(6)線圈：如圖6所示，用直徑0.17 mm漆包線繞制而成，接線柱“O，N”之間電阻約47 Ω，共550匝(一方面不會由于匝數(shù)過少導致微安表示數(shù)過小，另一方面色環(huán)電阻阻值不能隨意選擇，550圈阻值正好與其相當).接線柱“O,2N”之間電阻約100 Ω(每一匝線圈長度增加，導致“O,2N”之間電阻不是“O，N”之間電阻的2倍)，共1 100匝.

(7)二極管：本裝置用的是穩(wěn)壓二極管，與接線柱“O”串聯(lián)，用以消除反向電流.

(8)微安表：型號J0415，量程200 μA，分度值5 μA，內(nèi)阻440 Ω.

2 實驗原理

(1)串聯(lián)二極管的必要性.如圖7所示，實驗中磁鐵下落較快，線圈又比較短，所以在極短的時間內(nèi)正向與反向電流交替產(chǎn)生，當正向電流使指針偏轉(zhuǎn)的力矩還沒有累積到足夠的時間時，反向力矩就阻礙了線圈的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，導致根本無法實現(xiàn)半定量關系.二極管可以有效消除反相電流的影響，實驗效果大為改觀.

圖7

(2)如何保證不同匝數(shù)線圈總電阻相等.本實驗通過微安表示數(shù)的倍數(shù)關系間接推斷電動勢的倍數(shù)關系，但前提是回路總電阻不變.如圖7所示，作者在接線柱N處串聯(lián)色環(huán)電阻，電阻與環(huán)形回路連接，當接線柱O與2N接入電路時，色環(huán)電阻在電路之外，保證了匝數(shù)不同的線圈具有相同的阻值.

(3)如何改變ΔΦ：如圖7所示，設一片磁鐵通過線圈磁通量變化為ΔΦ，則兩片相同規(guī)格的磁鐵通過線圈磁通量變化為2ΔΦ.

圖8 探究E與Δt關系示意圖

3 關于實驗準確性的討論

影響本實驗準確性的主要原因有三：磁鐵規(guī)格、微安表靈敏度、阻力.

(1)如圖9所示，通過高斯計的實際測量發(fā)現(xiàn)，即使兩片磁鐵表面磁場都約為110 mT，但當把它們吸到一起之后表面磁場卻不是220 mT，無法完全做到2倍關系.

(a)一片磁鐵的表面磁場

(b)兩片磁鐵吸到一起后的表面磁場

(2)當微安表示數(shù)太小時，指針的慣性成為影響精度的主要來源，瞬間的沖擊電流不足以使指針偏轉(zhuǎn)到理想的效果，半定量關系很差.當微安表示數(shù)太大時，指針迅速偏轉(zhuǎn)，與游絲的力矩平衡被嚴重破壞，半定量關系也很差.由于微安表靈敏度的限制，所以本實驗無法進行N匝線圈與一片磁鐵(電流太小)，2N匝線圈與兩片磁鐵(電流太大)兩組實驗.但N匝線圈與兩片磁鐵，2N匝線圈與一片磁鐵的實驗效果理想，且兩種情況下N與ΔΦ的乘積保持不變，可以將整體作為一個影響因素進行控制.此外，沖擊電流變化極快，需要多次實驗反復觀察極大值.

(3)阻力主要來自兩方面：磁鐵木棒與管壁、被壓縮的空氣.磁鐵與管壁的摩擦難以避免，管徑太大又會導致磁鐵翻轉(zhuǎn)，且感應電流過小的問題.在管子下方側壁打孔可以盡量減少壓縮空氣造成的阻力.

4 實驗操作與數(shù)據(jù)

鑒于器材的限制，本實驗只做4組.

(1)連接接線柱“O,N”，讓2片磁鐵從10 cm處自由下落，記錄微安表的極大值.

(2)連接接線柱“O,N”，讓2片磁鐵從40 cm處自由下落，記錄微安表的極大值.

(3)連接接線柱“O,2N”，讓1片磁鐵從10 cm處自由下落，記錄微安表的極大值.

(4)連接接線柱“O,2N”，讓1片磁鐵從40 cm處自由下落，記錄微安表的極大值.

表1是分組實驗中出現(xiàn)最多的一組數(shù)據(jù).

表1 分組實驗中出現(xiàn)最多的一組數(shù)據(jù)

雖然有諸多器材與方法的限制，但經(jīng)公開課檢驗，本實驗半定量程度較好，適合學生分組探究，有效地補充了現(xiàn)有的教學手段.該實驗裝置已經(jīng)申請了實用新型專利，專利號DD03416.