一道高考試題的實驗探究

浙江省奉化中學(315500) 吳齊全

1 問題的來源

題目：用如圖1所示的裝置做“探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律”實驗，磁體從靠近線圈的上方靜止下落。在磁體穿過整個線圈的過程中，傳感器顯示的電流i隨時間t的圖像應(yīng)該是( )。

圖1 題目裝置

試題解析：這是一道浙江省高考試題，以“探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律”實驗為基礎(chǔ)，延伸拓展到分析電流大小和方向，對學生的綜合分析能力提出了很高的要求，是一道難得考察實驗的好題。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，小磁鐵在線圈上端的時候速度小，磁通量變化慢，對應(yīng)的感應(yīng)電流小，在線圈中間的時候，磁通量幾乎保持不變，電流為零，在線圈下端時，速度大，磁通量變化快，對應(yīng)的感應(yīng)電流大，再根據(jù)楞次定律，不難得到正確的答案是A。這樣的分析當然沒有錯，但不少學生可能和我一樣有一種想法，實驗結(jié)果真的如此嗎？命題老師是通過理論分析得到的結(jié)果還是通過真實實驗得到的結(jié)果呢？帶著疑問和困惑，和4位高三學生一起，開啟了一次探究之旅。

2 實驗探究過程

(1)第1次嘗試：走進學校數(shù)字化實驗室，利用 朗威DISLab電流傳感器，找到“探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律”中的線圈，按照試題中圖1連接電路，打開電腦，把條型磁鐵從線圈上方一定高度靜止釋放，得到的結(jié)果如圖2所示。采樣頻率為5 kHz，電流大小范圍-200 mA～200 mA。

圖2 第1次嘗試實驗結(jié)果

實驗的結(jié)果出乎意料，與試題中A答案對比，發(fā)現(xiàn)差距還是很大。電流形狀類似正弦交流電，曲線也比較圓滑，電流為零值是一個點，而不是試題當中的一段區(qū)域，電流的正負最大值區(qū)別也不是很明顯。為什么會是這個結(jié)果呢？經(jīng)過學生們的討論分析，大家一致認為是線圈太短了，磁鐵穿過線圈的時間非常短，直接影響了結(jié)果。

(2)第2次嘗試：這時有一個學生提議，用2個相同的線圈疊加在一起，線圈長了，結(jié)果應(yīng)該接近真實，如圖3所示。連接好電路，采樣頻率、電流大小都沒有改變，得到結(jié)果如圖4所示。

圖3 兩個相同的線圈疊加

圖4 第2次嘗試實驗結(jié)果

這個結(jié)果更加令我們大跌眼鏡。我們經(jīng)過思考討論和認真分析，主要有兩個問題：①電流開始是負的，后來是正的。形成的原因是磁鐵釋放時，N極和S極無意間互換了。②圖像呈現(xiàn)跌宕起伏的變化。兩個線圈疊加在一起，長度確實變長了，但中間形成了一段沒有線圈的“真空”區(qū)域，正是因為沒有線圈的“真空”區(qū)域，導致磁通量變化跌宕起伏。

探究的結(jié)果變化莫測，反而激起了學生們追求真理的決心。要想得到理想的實驗結(jié)果，首先必須找到一個合適的線圈。

(3)第3次嘗試：我們找到實驗員老師，詢問有沒有很長的線圈，得到?jīng)]有的答復(fù)后，決定自制一個線圈。實驗室沒有漆包線，只能自己動手把通電導線繞制成長長的線圈，在繞制過程中，因為外面有塑料皮，根本無法固定。于是選擇一根較長的空心絕緣管，在其外層繞上線圈，同時用502膠水進行固定，最后大家齊心協(xié)力制成的線圈如圖5所示。

圖5 自制線圈

連接電路，采樣頻率設(shè)置為5 kHz，電流的大小-2 A～2 A(采樣電流變大了，因為高度高了，速度大了，感應(yīng)電流也變大了)。得到的實驗結(jié)果如圖6所示，與試題的答案A符合得非常完美。

圖6 第3次嘗試實驗結(jié)果

3 總結(jié)和反思

在實驗過程中，我們使用了3種磁體，如圖7所示。條型磁鐵太長，需要的線圈非常長，這時自制線圈就不好操作了。強磁體的磁性太強，我們在釋放的時候，居然會被鐵架臺吸引，導致無法下落；同時強磁體太小了，在釋放的過程中會在空中翻滾，導致實驗結(jié)果也很奇怪。最好是兩頭尖的橢球型磁體，長度適中，釋放的時候也不會翻轉(zhuǎn)，而且阻力小，上面數(shù)據(jù)都是用這個磁體采樣的。

圖7 磁體

我們采集了非常多的數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)分析的過程中，發(fā)現(xiàn)每次最大電流的數(shù)值都不一樣，這是因為釋放的高度不同，速度不同，磁通量變化率不同。仔細觀察圖5線圈，上面有一段預(yù)留的管道，就是為了控制每次從同一點釋放，解決電流最大值不同的問題。

自制的線圈特別的長，最后電流采樣是用-2A～2A，比開始的時候大了10倍，有學生提議，可以參照伽利略斜面實驗，把線圈傾斜，減小磁體下落的速度，采樣電流減小，最后的實驗結(jié)果也證實了這一想法。

實驗最終的結(jié)果令人滿意，過程的曲折恰恰體現(xiàn)了科學探究的結(jié)果具有不確定性，探究花費大概3節(jié)課的時間，但是這個時間花得非常的值得，我們感受到探究的快樂，真實體會到科學研究的不易。