直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀

周雅梅 代偉 黎源逍 尚菡

摘 要：針對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析儀器的不足，設(shè)計(jì)了直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀.該演示儀不但演示性好，可操作性強(qiáng)，學(xué)生理解起來容易，而且還可完成對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的精確定量分析和探究，實(shí)驗(yàn)儀器新穎，測(cè)量精度高，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神有所幫助.

關(guān)鍵詞：直線型;電磁感應(yīng)定律;演示儀

文章編號(hào)：1008-4134（2019）17-0040中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

法拉第電磁感應(yīng)定律是中學(xué)物理電學(xué)部分中一個(gè)很重要的電學(xué)定律，為了幫助學(xué)生對(duì)該定律更好地理解，以往在教學(xué)過程中由于沒有專門的設(shè)備，許多教師為此都積極地設(shè)計(jì)和制作了一些演示法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)器材，但這些實(shí)驗(yàn)器材都或多或少存在一些問題：一是設(shè)計(jì)和制作的演示儀器演示效果差，使用效果不好;二是設(shè)計(jì)和制作的演示儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，實(shí)驗(yàn)成功率低.筆者設(shè)計(jì)的直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀克服了原有儀器的不足，形象而可靠地演示了法拉第電磁感應(yīng)定律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律E=n·ΔΦ/Δt中各量之間關(guān)系的精確定量探究分析.

1 現(xiàn)有儀器的不足

現(xiàn)有的法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析儀器定性的多、定量的少，或者是半定量粗略地研究法拉第電磁感應(yīng)定律[1].如專利號(hào)為201020197743.X的實(shí)用新型專利為了改變穿過線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度采取的做法是在一鐵棒上纏繞漆包線，通過改變線圈中的電流大小改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，通過改變鐵棒在豎直長(zhǎng)直管中自由下落的高度改變磁場(chǎng)切割線圈的速度，通過抽頭來改變線圈的匝數(shù)，從而使線圈產(chǎn)生不同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，完成對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的定量探究.這樣的設(shè)計(jì)存在的問題是由于管子的長(zhǎng)度有限，鐵棒在豎直長(zhǎng)直管中自由下落的時(shí)間很短，即使通過傳感器來進(jìn)行測(cè)量也只能測(cè)到一組數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行單次測(cè)量而且測(cè)量精度不高.

2 直線型法拉第電磁感應(yīng)定律分析演示儀

針對(duì)現(xiàn)有的法拉第電磁感應(yīng)定律分析儀器的不足，新設(shè)計(jì)的定量分析儀器裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示.儀器有一水平底板，底板上水平放置一有機(jī)玻璃管，同時(shí)在底板上安裝定滑輪和直流調(diào)速電機(jī)以及電機(jī)控制元件，通過控制直流電機(jī)作自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng).在電機(jī)軸上纏繞一根細(xì)鋼絲去帶動(dòng)磁鐵盒在有機(jī)玻璃管中來回穿梭，讓閉合線圈去切割磁場(chǎng).在有機(jī)玻璃管的外面固定三個(gè)帶抽頭的線圈，其中兩個(gè)為演示線圈，一個(gè)為測(cè)量線圈.測(cè)量線圈的抽頭與底板上的測(cè)量接線柱連接以便于與電壓傳感器連接進(jìn)而進(jìn)行定量分析.兩個(gè)演示線圈分別與反向并聯(lián)的兩組發(fā)光二極管連接，兩個(gè)演示線圈的匝數(shù)一個(gè)多一個(gè)少，實(shí)驗(yàn)中可以定性演示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與線圈匝數(shù)多少的關(guān)系，演示磁鐵靠近和離開閉合線圈時(shí)二極管顏色和亮度的變化，演示線圈與發(fā)光二極管的接線如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)二極管的發(fā)光情況來定性分析法拉第電磁感應(yīng)定律并演示線圈切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向.一個(gè)可以安放不同型號(hào)磁鐵的圓筒形磁鐵盒通過直流調(diào)速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)后可使磁鐵能在水平有機(jī)玻璃管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而反復(fù)切割線圈使線圈中產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，一個(gè)電壓傳感器與測(cè)量用電磁線圈的多個(gè)抽頭相連，通過電壓傳感器能測(cè)出多組數(shù)據(jù)，通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變磁體切割線圈磁感應(yīng)線的速度，通過改變磁鐵盒中磁鐵的大小可改

變磁體切割線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過改變測(cè)量線圈的抽頭可改變線圈的匝數(shù)，通過以上技術(shù)措施可以借助本儀器定量探究測(cè)量線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈匝數(shù)、磁通量的變化率的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可歸納得出法拉第電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式E=n·ΔΦ/Δt [2].電壓傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)接入計(jì)算機(jī)由電腦顯示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的曲線，這樣使測(cè)量和分析數(shù)據(jù)都非常直觀.

3 演示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向

為了觀察磁場(chǎng)切割感應(yīng)線圈時(shí)感應(yīng)線圈中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，并演示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向，采取的技術(shù)方案是將紅綠發(fā)光二極管反向并聯(lián)后再與感應(yīng)線圈串聯(lián)[3].當(dāng)磁鐵盒靠近線圈時(shí)紅光二極管發(fā)光，當(dāng)磁鐵盒離開線圈時(shí)綠光二極管發(fā)光，由此來演示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向;改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)光二極管的頻閃速度和亮度也跟著改變，由此來演示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小變化規(guī)律.如果將電機(jī)反轉(zhuǎn)，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與正轉(zhuǎn)剛好相反，若電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)則紅、綠發(fā)光二極管就會(huì)不停地交替閃爍.通過觀察兩組二極管的發(fā)光情況可定性演示線圈切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向.

4 法拉第電磁感應(yīng)定律的精確定量探究分析

4.1 定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與時(shí)間Δt的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)n和磁通量ΔΦ一定，改變電機(jī)電壓，通過調(diào)壓改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使磁鐵切割線圈的Δt改變，用電壓傳感器讀出不同電機(jī)電壓所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小.實(shí)驗(yàn)中，n=2000匝，磁鐵盒中裝中號(hào)磁鐵，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，擬合直線如圖4所示.

由表1和圖4可以直觀地得出，當(dāng)n和ΔΦ一定時(shí)，E和1Δt成正比關(guān)系.

4.2 定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量ΔΦ的關(guān)系

保持線圈匝數(shù)n和時(shí)間Δt（電機(jī)電壓）一定，實(shí)驗(yàn)中，n=2000匝，電機(jī)電壓為6V，磁鐵盒中分別裝入不同型號(hào)的磁鐵1個(gè)，線圈截面不變，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，從而改變磁通量ΔΦ，用電壓傳感器測(cè)出不同型號(hào)磁鐵所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，擬合直線如圖5所示.

由表2和圖5可以直觀地得出，當(dāng)n和Δt一定時(shí)，E和B成正比，由ΔΦ=ΔB·S，即E和ΔΦ成正比.

4.3 定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈匝數(shù)n的關(guān)系

保持磁通量ΔΦ和時(shí)間Δt（電機(jī)電壓）一定，線圈截面不變，改變線圈匝數(shù)n，用電壓傳感器讀出不同線圈匝數(shù)所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小.實(shí)驗(yàn)中，磁鐵為中號(hào)，電機(jī)電壓為6V，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3所示，擬合直線如圖6所示.

由表3和圖6可以很直觀地得出，當(dāng)ΔΦ和Δt一定時(shí)，E和n成正比關(guān)系.

5 實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)

（1）儀器結(jié)構(gòu)新穎，演示效果好，測(cè)量準(zhǔn)確，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)有幫助.

（2）磁鐵是從線圈中間穿過，能非常直觀地引導(dǎo)學(xué)生建立起閉合線圈切割磁場(chǎng)能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的物理情景.

（3）探究測(cè)量和演示過程中磁鐵在線圈中來回穿梭，線圈切割磁場(chǎng)呈周期性變化，所以線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也呈周期變化，兩組彩色發(fā)光二極管交替閃爍，既能吸引學(xué)生的注意力，又能激發(fā)學(xué)生的好奇心，能很好培養(yǎng)學(xué)生學(xué)物理的興趣.

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過電腦顯示，方便觀察測(cè)量和數(shù)據(jù)分析.

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭鐘樊，代偉，王丹等.法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析探究演示儀[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017，37（05）：55-57.

[2] 王志斌，王琳，余金龍，盧定山.定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律裝置：中國，CN 201707818 U[P].2010.05.14.