利用DIS探究線圈中感應(yīng)電流與磁通量變化的關(guān)系

王盼盼

(1. 安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2. 江蘇省常熟市滸浦高級(jí)中學(xué)，江蘇 蘇州 215500)

1 引言

磁通量和感應(yīng)電流是高中物理中磁場(chǎng)部分的重要概念，是理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在必修3中對(duì)學(xué)生提出的要求是：知道磁通量。通過實(shí)驗(yàn)，了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，了解產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。知道電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用及其對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的影響。[1]

在高中物理教科書中，一般采用這樣的實(shí)驗(yàn)方法研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象：把磁鐵的某一個(gè)磁極向線圈中插入、從線圈中抽出，或靜止地放在線圈中，觀察電流表的指針，記錄下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。[2]當(dāng)電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，通過指針偏轉(zhuǎn)方向可判斷感應(yīng)電流的方向。用這種方法向?qū)W生介紹感應(yīng)電流，器材易獲取，操作簡(jiǎn)單易實(shí)施，是目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常用方法。但這種實(shí)驗(yàn)方法無法測(cè)量磁通量，也不可以同時(shí)觀察磁通量和感應(yīng)電流的變化，不利于學(xué)生理解二者的因果關(guān)系和數(shù)量關(guān)系。

筆者利用DIS系統(tǒng)中的微電流傳感器代替電流表，以直觀的圖像展現(xiàn)感應(yīng)電流I的變化，同時(shí)利用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器展現(xiàn)磁場(chǎng)(磁通量)的變化，研究感應(yīng)電流I與磁場(chǎng)(磁通量)變化的定性關(guān)系。

DIS系統(tǒng)對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很大的輔助作用，它能夠直觀清晰地展示所測(cè)數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)更有魅力，能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理的興趣，激發(fā)學(xué)生自主探索的熱情。

2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示，由DIS系統(tǒng)(微電流傳感器、磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、數(shù)據(jù)采集器)、計(jì)算機(jī)、多匝線圈、條形磁鐵等組成。多匝線圈用直徑為0.4mm、長(zhǎng)為10m的包漆銅絲繞制而成，條形磁鐵的規(guī)格為100mm×20mm×7mm。如圖2連接線路，將微電流傳感器接在多匝線圈兩端，將磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器的感應(yīng)端豎直放置在線圈下方。

圖1

圖2

3 實(shí)驗(yàn)原理及理論分析

本實(shí)驗(yàn)為半定量實(shí)驗(yàn)，研究感應(yīng)電流I與磁通量(磁場(chǎng))變化的關(guān)系。線圈中條形磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向大部分是豎直的，因此粗略地認(rèn)為條形磁鐵提供的磁場(chǎng)是沿豎直方向的。即磁通量Ф=BS，B表示測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，S代表線圈的橫截面積。

楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

在本次實(shí)驗(yàn)中規(guī)定：磁場(chǎng)方向向下為正，感應(yīng)電流方向逆時(shí)針為正。

如圖3所示，將條形磁鐵快速插入線圈中，再保持靜止。由楞次定律可得：當(dāng)條形磁鐵向下插入線圈時(shí)，線圈中的磁場(chǎng)增強(qiáng)且方向向下，感應(yīng)電流I的磁場(chǎng)要阻礙線圈中磁場(chǎng)增強(qiáng)，所以感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向上，與線圈中的磁場(chǎng)方向相反，感應(yīng)電流方向沿逆時(shí)針方向。

圖3

當(dāng)條形磁鐵在線圈中靜止時(shí)，線圈中磁場(chǎng)保持不變，沒有感應(yīng)電流。

如圖4所示，將條形磁鐵快速抽出線圈，由楞次定律可得：當(dāng)條形磁鐵向上抽出線圈時(shí)，由于線圈中的磁場(chǎng)減弱且方向向下，感應(yīng)電流I的磁場(chǎng)要阻礙線圈中磁場(chǎng)減弱，所以感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下，與線圈中的磁場(chǎng)方向相同，感應(yīng)電流方向沿順時(shí)針方向。

圖4

綜上所述，線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的圖像和感應(yīng)電流I的圖像在理論上如圖5所示。

圖5

4 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，連接線路。打開DIS通用軟件，選擇“組合圖線”，添加圖線1磁感應(yīng)強(qiáng)度和圖線2微電流，調(diào)零，開始實(shí)驗(yàn)。

(2) 如圖3所示，將條形磁鐵插入線圈中，保持靜止一段時(shí)間，觀察并記錄感應(yīng)電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的圖像,觀察圖像是否與預(yù)期一致。

(3) 如圖4所示，將條形磁鐵抽出線圈，觀察并記錄感應(yīng)電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的圖像,觀察圖像是否與預(yù)期一致。

(4) 選擇圖線1磁感應(yīng)強(qiáng)度B，選擇“其他處理”中的“求導(dǎo)”,將磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得到圖線3。選擇圖線3，勾選“只控制選擇的圖線”，通過“Y縮放”和“Y平移”將圖線3調(diào)整至與圖線2感應(yīng)電流I共零點(diǎn)，比較這兩個(gè)圖像的變化趨勢(shì)是否相同。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖6與圖5的比較中可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和感應(yīng)電流I的圖像與理論分析一致。即在條形磁鐵插入線圈時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B從0增大到B0，感應(yīng)電流I先從0增大到I0后減小到0。條形磁鐵插入后保持靜止一段時(shí)間，磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，感應(yīng)電流I為0。條形磁鐵抽出線圈時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B減小到0，感應(yīng)電流I先從0反向增大到-I0后減小到0。

圖6

6 結(jié)語

筆者利用DIS、多匝線圈，條形磁鐵等，從實(shí)驗(yàn)的角度研究多匝線圈中感應(yīng)電流與磁通量(磁場(chǎng))變化的關(guān)系，突出了感應(yīng)電流的物理意義。實(shí)驗(yàn)以直觀清晰的圖像呈現(xiàn)結(jié)果，相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，DIS可使學(xué)生專注于規(guī)律的探索。