利用Arduino開(kāi)源電子平臺(tái)探究電磁感應(yīng)定律

鄒建中

摘要：定量研究法拉第電磁感應(yīng)定律是高物理教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，很難突破。為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)并掌握該部分內(nèi)容，利用Arduino開(kāi)源電子平臺(tái)設(shè)計(jì)制作了一套實(shí)驗(yàn)裝置，該套裝置使用電機(jī)帶動(dòng)磁鐵在線圈上方勻速轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)控制線圈匝數(shù)、線圈與轉(zhuǎn)軸距離、線圈面積三個(gè)因素來(lái)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了定量探究，以Arduino為下位機(jī)采集瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Arduino;法拉第電磁感應(yīng)定律;高中物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的重要內(nèi)容。特別是公式 的得出，更是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。筆者曾在《物理教師》2017年38卷第7期發(fā)表了利用數(shù)字示波器來(lái)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器的廣泛引用，筆者利用Arduino開(kāi)源電子平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套探究電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)介紹如下：

一、Arduino開(kāi)源電子平臺(tái)介紹

Arduino硬件平臺(tái)本質(zhì)上是一種以AVR系列微處理為核心的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，具有13個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口和5個(gè)模擬輸入/輸出端口，可以通過(guò)外接傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物理量的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，由于應(yīng)用廣泛、用戶眾多，配套或兼容的傳感器和外圍設(shè)備非常多，只要合理利用，完全可以實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)所需要的各類功能。我們采用Arduino Uno電路板作為數(shù)據(jù)采集器，如圖1。

使用Arduino作為下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并輸送到計(jì)算機(jī)，采用LabVIEW作為上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)顯示，兩者結(jié)合既避免了采購(gòu)價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備，又解決了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及顯示、記錄等難題。

二、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與測(cè)量系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。裝置可分為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生系統(tǒng)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)兩部分。

（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生系統(tǒng)

如圖3所示，面板上固定有采用同種漆包線繞制而成的三組線圈，面板中央的電機(jī)輸出軸上固定有支架，支架上對(duì)稱安裝有10片相同的厚度為2mm、長(zhǎng)寬均為5mm的薄片狀釹鐵硼磁鐵。面板右下方安裝有電機(jī)開(kāi)關(guān)，當(dāng)按下開(kāi)關(guān)接通電源時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)磁鐵勻速轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)這些線圈正上方，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

A、C組線圈固定在以轉(zhuǎn)軸中心為圓心的同一圓周上。A組5個(gè)線圈均為邊長(zhǎng)4.0 cm的正方形線圈，匝數(shù)不同，分別為200匝、250匝、300匝、350匝、400匝，用于探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和匝數(shù)的關(guān)系。C組5個(gè)線圈均為300匝，面積不同，每個(gè)線圈長(zhǎng)邊均為4.0 cm，但寬度不同，分別是2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm，安裝在面板上時(shí)長(zhǎng)邊沿著圓弧切線，短邊沿半徑方向，這樣做的目的是保證同一磁鐵經(jīng)過(guò)同一圓弧上的這些線圈時(shí)磁通量的變化量不同，但是磁通量的變化時(shí)間相同，探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁通量變化量的關(guān)系。B組線圈匝數(shù)和面積均相同，匝數(shù)為300匝，長(zhǎng)寬均為4.0 cm，安裝在面板上以轉(zhuǎn)軸中心為圓心的圓的同一條半徑上，依次向外排開(kāi)，線圈中心離轉(zhuǎn)軸中心的距離分別是：5.5 cm、11.5 cm、17.5 cm、23.5 cm、29.5 cm，磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)5片相同的磁鐵恰好可以從5個(gè)線圈的正上方經(jīng)過(guò)，由于磁鐵經(jīng)過(guò)的線速度不同，從而磁通量變化時(shí)間不同，用以研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁通量變化時(shí)間的關(guān)系。

（2）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)以Arduino Nano控制器為下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，以LabVIEW為上位機(jī)將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，在計(jì)算機(jī)上使用LabVIEW軟件作為上位機(jī)，借助VISA插件與Arduino進(jìn)行串口通訊，獲得Arduino Nano控制器測(cè)量到的數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)置好前面板用來(lái)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量到的5個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。LabVIEW前面板如圖5所示，LabVIEW程序框圖如圖6所示。

（3）使用方法說(shuō)明

首先用導(dǎo)線將所選擇的某組5個(gè)線圈的5個(gè)接線柱按照順序與Arduino Nano控制器的模擬輸入端口A0至A4連接。再使用USB電纜將Arduino Nano控制器與計(jì)算機(jī)連接，并在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)LabVIEW軟件，打開(kāi)該實(shí)驗(yàn)的VI文件，選擇Arduino Nano控制器連接的串口端口。需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量的時(shí)候按下面板上的電機(jī)開(kāi)關(guān)，然后點(diǎn)擊LabVIEW軟件菜單中的運(yùn)行按鈕即可實(shí)時(shí)測(cè)量。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果討論

（1）探究電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)的關(guān)系

選擇A組線圈研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和匝數(shù)的關(guān)系。A組5個(gè)線圈固定在同一個(gè)圓周上，最外側(cè)磁鐵做圓周運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)A組線圈的時(shí)間相同。由于每個(gè)線圈的面積相同，磁通量變化量也相同。教學(xué)中某次實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)如表1所示。使用EXCEL軟件以做出散點(diǎn)圖后可以看到數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎都在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上，進(jìn)行線性擬合得到結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖象可以得出：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和匝數(shù)成正比。

（2）探究電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化時(shí)間的關(guān)系

B組線圈匝數(shù)和面積均相同，對(duì)應(yīng)支架上5片磁鐵也相同，保證了磁通量變化量相同。由于B組各線圈到轉(zhuǎn)軸中心的距離不同，支架上對(duì)應(yīng)的磁鐵經(jīng)過(guò)時(shí)線速度不同，所以時(shí)間肯定不一樣。根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，磁通量發(fā)生變化的時(shí)間 ，式中l(wèi)為轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)，v為轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度， 為轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑， 為轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。磁鐵經(jīng)過(guò)時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)可以認(rèn)為近似相等，同軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度一樣，所以 和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（即線圈中心到轉(zhuǎn)軸中心的距離）成反比。教學(xué)中某次實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)如表2所示。做出散點(diǎn)圖后進(jìn)行線性擬合得到結(jié)果如圖8所示。根據(jù)圖象可知：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑成正比，再結(jié)合前文分析可知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和磁通量變化時(shí)間成反比。

（3）探究電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化量的關(guān)系

C組5個(gè)線圈匝數(shù)相同，固定在同一圓周上，由于線圈沿圓周方向均為4.0 cm，支架上外側(cè)磁鐵經(jīng)過(guò)線圈時(shí)間相同，即磁通量變化時(shí)間相同。但寬度不同，因此面積不同，磁通量變化量不同。教學(xué)中某次實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示，進(jìn)行線性擬合結(jié)果如圖9所示。根據(jù)圖象可以得出：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和線圈面積成正比，再結(jié)合前文分析可知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和磁通量變化量成正比。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由于測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量有誤差、電機(jī)轉(zhuǎn)速不夠穩(wěn)定、線圈位置固定不夠精準(zhǔn)等原因，圖8、9、10中個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離擬合直線，但是各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的R2均大于0.99，表示線性關(guān)系較好。同時(shí)發(fā)現(xiàn)擬合直線并沒(méi)有嚴(yán)格地通過(guò)坐標(biāo)系原點(diǎn)但比較接近。因此可以認(rèn)為，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果可以總結(jié)得出法拉第電磁感應(yīng)定律：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和匝數(shù)成正比、和磁通量變化量成正比、和磁通量變化時(shí)間成反比。

四、結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)為定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律創(chuàng)造了條件，基于此進(jìn)行法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于學(xué)生對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律有更深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程可以提升學(xué)生的“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃琪莉，吳先球.基于LabVIEW改進(jìn)法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)裝置[J].物理實(shí)驗(yàn)，2020，40（01）：60-62.

[2]胡博.利用Arduino和傳感器驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律[J].物理教學(xué)探討，2019，37（11）：46-48.