基于Phyphox程序的“電磁感應(yīng)定律”定量探究實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

伍科 張旺

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)始終是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)，這種實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)在中學(xué)物理課堂上也難以開展．隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用電磁學(xué)傳感器能夠精確采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使法拉第電磁感應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)探究成為可能．有研究者提出，將實(shí)驗(yàn)線圈置于亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流旋鈕改變通入亥姆霍茲線圈的電流，引起內(nèi)部磁場(chǎng)的變化，即可在實(shí)驗(yàn)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但該方法很難獲得隨時(shí)間均勻變化的磁場(chǎng)[1]．也有研究者利用電機(jī)帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)變化，運(yùn)用磁鐵轉(zhuǎn)速間接反映磁通量變化率[2]．該實(shí)驗(yàn)雖然操作簡(jiǎn)單，容易獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難使學(xué)生理解間接反映磁通量變化率的實(shí)驗(yàn)原理．

本文基于Phyphox程序和自制教具，設(shè)計(jì)搭建一套新型電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)探究?jī)x，采用常見的電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和自制教具即可開展定量探究教學(xué)．

1 實(shí)驗(yàn)原理與教具制作

探究法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)原理及運(yùn)用Phyphox程序自制實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)儀器的設(shè)計(jì)方案如下．

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及制作

為開展電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，自行研制了一套實(shí)驗(yàn)探究?jī)x．該裝置由原線圈、副線圈、SG1641A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、KJ9208B+型數(shù)字萬能表及智能手機(jī)等幾部分組成，如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

其中，原線圈和副線圈采取內(nèi)外套筒式放置，銅絲規(guī)格為直徑0.49 mm聚酯漆包線．原線圈、副線圈和智能手機(jī)均固定在一塊長(zhǎng)木板上，并將智能手機(jī)放在原線圈的內(nèi)部中間位置．SG1641A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和KJ9208B+型萬用表分別與原線圈和副線圈相連接．

值得注意的是，因通電線圈內(nèi)部所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在其兩端存在非均勻的邊緣效應(yīng)，只有中間一段區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)可近似視作勻強(qiáng)磁場(chǎng)，應(yīng)選擇靠近原線圈的中心區(qū)域測(cè)量勻強(qiáng)磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)．通電線圈長(zhǎng)度L與其半徑R相比較，比值越大時(shí)，線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)均勻區(qū)域越大．以長(zhǎng)度L是其半徑R的10倍為例，通電線圈內(nèi)部沿著軸向的磁場(chǎng)，長(zhǎng)度為6R范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布比較均勻[3]．本實(shí)驗(yàn)裝置確定原線圈長(zhǎng)度為23.5 cm，線圈半徑為3.8 cm，共473匝．用傳感器測(cè)量可知，原線圈內(nèi)部具有勻強(qiáng)磁場(chǎng)特性的實(shí)際長(zhǎng)度范圍約為14.5 cm，副線圈長(zhǎng)度應(yīng)小于該長(zhǎng)度，因此將副線圈的長(zhǎng)度設(shè)置為12 cm，直徑略大于原線圈，設(shè)置為8.6 cm．此外，副線圈采用雙層繞制共485匝，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果．

2 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集

運(yùn)用SG1641A型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供三角波交流電，輸入原線圈，進(jìn)行電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)．下面具體呈現(xiàn)利用Phyphox程序展開法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)的操作步驟．

(1)搭建如上述圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，打開手機(jī)上的Phyphox程序，選擇測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度欄目，點(diǎn)擊顯示界面左上角功能區(qū)，選擇遠(yuǎn)程控制功能，將出現(xiàn)在手機(jī)界面上的網(wǎng)址輸入到筆記本電腦瀏覽器上，以便在遠(yuǎn)程端觀察和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

(2)使信號(hào)發(fā)生器輸出三角波交流電，在筆記本電腦端Phyphox實(shí)驗(yàn)界面上點(diǎn)擊開始測(cè)量，并將萬能表調(diào)至測(cè)交變電壓擋位．可以觀察到Phyphox實(shí)驗(yàn)界面上的B-t圖像呈現(xiàn)三角波變化規(guī)律．測(cè)得1至2個(gè)三角波周期的B-t圖像，如圖2所示．

圖2 呈現(xiàn)三角波變化規(guī)律的B-t圖像

表1 原線圈中輸入三角波交流電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 E-線性擬合圖

3 總結(jié)

基于Phyphox程序和自制教具，改進(jìn)了定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)方案，解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方案不能測(cè)得磁通量變化率的缺點(diǎn)，學(xué)生能夠經(jīng)歷定量探究的過程，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到結(jié)論，有效地幫助學(xué)生理解法拉第電磁感應(yīng)定律．利用智能手機(jī)Phyphox程序開展定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律，能夠提高實(shí)驗(yàn)的精確性和可操作性，易于推廣，同時(shí)也體現(xiàn)了信息技術(shù)手段與物理教學(xué)的融合．