法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新

劉海威 蔡桂麗 梁維剛

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣西 桂林 541004)

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)

2.1 主要工具

42步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)步距值不受電壓的大小和電流的數(shù)值、波形、溫度的變化等因素的影響，能讓線圈在磁鐵中穩(wěn)定、勻速地轉(zhuǎn)動，減少線圈轉(zhuǎn)動對產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的影響，筆者通過編寫程序控制步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度，再通過同步帶跟線圈連接起來，并用LCD1602液晶顯示屏可顯示線圈轉(zhuǎn)動的速度.

線性霍爾元件：霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)，用半導(dǎo)體材料制成的.它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.在本裝置中利用霍爾元件能夠精確測量出磁場中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小[2].

導(dǎo)電滑環(huán)：導(dǎo)電滑環(huán)主要由旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)子)與靜止(定子)兩大部分組成.轉(zhuǎn)子跟線圈的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接并隨之旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，定子將線圈在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電流傳輸?shù)届o止的電路中，便于測量感應(yīng)電動勢，很好地解決了線圈在轉(zhuǎn)動過程中線路旋轉(zhuǎn)造成感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)難以讀取的問題.

2.2 裝置介紹

本實(shí)驗(yàn)裝置由42步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動裝置，線性霍爾傳感器，UNO開發(fā)板，導(dǎo)電滑環(huán)，1602液晶顯示器，漆包線，矩形磁鐵(10 cm×150 cm×25 cm)，3D打印模具等組成，其裝置圖如圖1所示.

圖1 裝置圖

(1)構(gòu)建磁場：豎直放置兩塊相同的矩形磁鐵，當(dāng)其靠得足夠近時，因磁鐵間的磁感應(yīng)強(qiáng)度相差僅幾毫特斯拉，故其磁場可近似為勻強(qiáng)磁場.

(2)測量磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度：本裝置采用線性霍爾傳感器來測量兩磁鐵間的磁感應(yīng)強(qiáng)度.因近似為勻強(qiáng)磁場，故磁感應(yīng)強(qiáng)度取其平均值.

(3)電流導(dǎo)出：當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場中旋轉(zhuǎn)時，可使用導(dǎo)電滑環(huán)將線圈中的電流導(dǎo)出，即可測量和顯示線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢.在使用導(dǎo)電滑環(huán)之前，筆者嘗試了很多方法，其中有利用線圈正反轉(zhuǎn)的方法.線圈轉(zhuǎn)動由電機(jī)帶動，用Arduino編程控制步進(jìn)電機(jī)勻速正轉(zhuǎn)180°反轉(zhuǎn)180°，但由于步進(jìn)電機(jī)自身具有保護(hù)裝置，即停止前自動減速，因而測量出對應(yīng)的感應(yīng)電動勢也減小.

(4)改變轉(zhuǎn)速：Arduino編程控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用按鍵加減改變轉(zhuǎn)速，并顯示在1602液晶顯示器上.

3 定量探究實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)操作

E=NBSωsinωt

首先，本裝置可通過控制變量法分別定量測量出匝數(shù)、角速度、面積等與感應(yīng)電動勢的關(guān)系，即可驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律公式.

說明，本次測量取感應(yīng)電動勢最大值，即可探究或驗(yàn)證E=NBSω.但由于其角速度準(zhǔn)確，感應(yīng)電動勢的瞬時值E=NBSωsinωt亦是準(zhǔn)確的.此外，通過示波器或DISlab可顯示感應(yīng)電動勢的波形，學(xué)生可直觀看到，為學(xué)生學(xué)習(xí)交流電打下基礎(chǔ).具體操作如下：

(1)用線性霍爾傳感器測量出兩磁鐵板中線圈內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，取線圈中心與邊緣處的磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值，并記錄數(shù)據(jù).

(2)線圈面積、角速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度一定的情況下，分別取線圈的匝數(shù)為900,1 000,1 100，測量對應(yīng)的感應(yīng)電動勢，記錄數(shù)據(jù)，定量分析得出匝數(shù)與感應(yīng)電動勢的關(guān)系.

(3)本裝置通過Arduino編程實(shí)現(xiàn)手動按鍵加減均勻改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(如角速度為3,4,5,6)，測量對應(yīng)的感應(yīng)電動勢.記錄數(shù)據(jù)，定量分析得出線圈旋轉(zhuǎn)角速度與感應(yīng)電動勢的關(guān)系.

此外，亦可在匝數(shù)、角速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時通過提供不同面積大小的線圈，測量對應(yīng)的感應(yīng)電動勢，分析其關(guān)系.改變磁感應(yīng)強(qiáng)度則需改變兩磁鐵間的距離，在控制匝數(shù)、角速度、面積一定時，測量其感應(yīng)電動勢.

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.1 定量驗(yàn)證感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的關(guān)系

保持磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈面積和匝數(shù)不變，改變角速度,其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1和圖2所示.

表1 探究感應(yīng)電動勢與角速度關(guān)系數(shù)據(jù)表

圖2 探究感應(yīng)電動勢與角速度的關(guān)系圖

結(jié)論：在磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈面積和匝數(shù)不變的情況下，磁通量的變化率與線圈的角速度成正比關(guān)系，由表格數(shù)據(jù)可知，感應(yīng)電動勢跟角速度成正比，即感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率成正比，也可定量驗(yàn)證出感應(yīng)電動勢最大值的公式Em=NBSω，誤差均在實(shí)驗(yàn)允許的范圍內(nèi).

3.2.2 定量驗(yàn)證感應(yīng)電動勢與匝數(shù)的關(guān)系

保持磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈面積和角速度不變，改變線圈匝數(shù),其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2和圖3所示.

表2 探究感應(yīng)電動勢與匝數(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)表

圖3 探究感應(yīng)電動勢與匝數(shù)的關(guān)系圖

結(jié)論：在磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈面積、角速度即磁通量變化率不變的情況下，由表格數(shù)據(jù)可知，感應(yīng)電動勢與線圈匝數(shù)成正比，也可定量驗(yàn)證出感應(yīng)電動勢最大值的公式Em=NBSω，誤差均在實(shí)驗(yàn)允許的范圍內(nèi).

4 實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新與不足

4.1創(chuàng)新點(diǎn)

(1)角速度精準(zhǔn)，便于獲取.通過編程輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，直接調(diào)控其轉(zhuǎn)速，讀取出來的角速度較為精準(zhǔn).相比于通過滑動變阻器等改變電流或電壓的方法和用其他設(shè)備如霍爾傳感器、光電門等再去測量角速度，此方法更為簡便.

(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度測量方便：本裝置使用線性霍爾傳感器來測量磁感應(yīng)強(qiáng)度，比用特斯拉計(jì)等設(shè)備測量更方便，不受學(xué)校設(shè)備的限制.

(3)本裝置與教材中實(shí)驗(yàn)類似，便于學(xué)生學(xué)習(xí)遷移，同時通過導(dǎo)電滑環(huán)可以輕松解決線圈旋轉(zhuǎn)電流導(dǎo)出的問題，不需制作電刷等裝置即可外接電路.

(4)本裝置從現(xiàn)代技術(shù)與物理相結(jié)合的角度出發(fā)，將現(xiàn)代電子元器件如線性霍爾傳感器、1602液晶顯示器、UNO開發(fā)板等應(yīng)用于物理教具中.既實(shí)現(xiàn)將抽象的物理知識具象化，便于學(xué)生認(rèn)知重組，又讓學(xué)生在一定程度上了解現(xiàn)代科技，激發(fā)學(xué)生對物理與科技結(jié)合的思考與興趣[3,4].

(5)相對于別的用計(jì)算機(jī)收集數(shù)據(jù)的裝置，本裝置可以直接在1602液晶顯示屏上讀取磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，用示波器可以顯示出感應(yīng)電動勢與時間t的關(guān)系圖，并且能讀取實(shí)時的感應(yīng)電動勢大小(如圖4所示)，讀取數(shù)據(jù)更簡便，快捷.

圖4 示波器上顯示感應(yīng)電動勢波形圖

4.2 不足

本裝置是利用兩塊矩形磁鐵構(gòu)建成一個近似均勻的強(qiáng)磁場，并不是真正的勻強(qiáng)磁場，兩塊矩形磁鐵的距離會對實(shí)驗(yàn)造成一定的影響.此外,本裝置中感應(yīng)電動勢的測量需要借助示波器、DISlab等工具，不夠簡單化.

5 結(jié)束語

本裝置通過實(shí)驗(yàn)定量探究了法拉第電磁感應(yīng)定律，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，運(yùn)用在課堂上，可以增強(qiáng)學(xué)生之間的合作精神，能讓學(xué)生將物理、科學(xué)結(jié)合起來，養(yǎng)成一種科學(xué)探究精神.