“法拉第電磁感應定律”的實驗探究

李化育

【關鍵詞】 物理教學；法拉第電磁感應定律；實驗；探究

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 1004—0463（2016）16—0124—01

1. 感應電動勢E與Δt的關系（控制ΔΦ相同）

思路：線圈附近豎直方向較小的空間Δx，磁鐵經過這段空間時發生的磁通量的變化量相同。磁鐵經過的時間Δt可近似處理為Δt=（h為磁鐵下落的距離）。因此，在兩次實驗中，=，則=，感應電流之比為1：2。兩次的電路完全相同，包括萬用表的檔位，所以感應電動勢之比為1：2。實驗說明在ΔΦ相同的情況下，感應電動勢E的大小與Δt成反比。

過程：將長直PVC管以cm為單位標上刻度后豎直固定在鐵架臺上，100匝的線圈套在管的外側。第一次將線圈移動至距離上端管口10cm處，從管口中心自由釋放強磁鐵。當磁鐵穿過線圈時，產生的感應電流經微電流放大器放大后在萬用表上指針讀數體現，最大讀數為240μA；第二次將該線圈向下移動至距離上端管口40cm處，再次釋放強磁鐵，最大讀數為480μA。

困難：再次使用完全相同的實驗方案、實驗儀器進行時，再也沒有出現上面的實驗結果。線圈置于10cm處時，磁鐵通過線圈時電表的示數仍為240μA；置于40cm處時，電表的示數為380μA。兩次實驗的感應電流之比為1：1.58，即感應電動勢之比為1：1.58，不能說明在ΔΦ相同的情況下，感應電動勢E的大小與Δt成反比。這樣的結果讓人頓時不知所措，多次重復，結果依然如此。

反思：認真分析，可能是如下原因：磁鐵的運動近似自由落體，當下落10cm時，速度可達到v===1.4m/s，磁鐵的長度h=3cm，通過線圈所用時間為Δt===0.02s；當下落40cm時，速度可達到v===2.8m/s。通過線圈所用時間為Δt===0.01s。對表頭是磁偏轉式的萬用表，指針的偏轉跟不上感應電流變化的節奏，很可能得到的240μA和380μA并不是磁鐵穿過線圈時產生的最大電流值。對第一次的實驗結果240μA和480μA，只能是偶然現象。

調整：實驗裝置、過程不變的前提下，使用電壓傳感器對感應電動勢進行了測量，結果與實驗預期一致。

2. 感應電動勢E與ΔΦ的關系（控制Δt相同）

思路：如右圖，在木板兩端分別固定不同根數的相同條形磁鐵，保持木板兩端同步拔出左右兩個完全相同的線圈時，電流計指針偏轉顯示感應電流大小，兩電路電阻完全相同，感應電流之比等于感應電動勢之比。

過程一：木板左右兩端分別固定一根和兩根磁鐵，同步拔出時，兩電流計顯示指針偏轉格數分別為兩格和四格。

過程二：木板左右兩端分別固定一根和三根磁鐵，同步拔出時，兩電流計顯示指針偏轉格數分別為兩格和六格。

3.感應電動勢E與線圈匝數n的關系

思路：完全相同的條形磁鐵，線圈面積相同，磁鐵均位于線圈中央，同步提起保證Δt相同，這樣單匝線圈的磁通量變化率相同，此時有E正比于n。

過程：左右兩側的線圈匝數分別為36匝和74匝，磁鐵各一根，將兩線圈置于同樣高度，從另一高度同步釋放木板，兩磁鐵穿過線圈時電流計指針偏轉分別為兩格和三格半，重復多次，結果無太大變化。

反思：如果左右兩電流計的指針偏轉之比為1：2（36：74=1：2.06），則可以說明感應電動勢與匝數成正比。但實際電流計指針偏轉之比為2：3.5=1：1.75，用來說明感應電動勢與匝數成正比有些牽強。分析原因，匝數不同，電路電阻不同，感應電流之比不等于感應電動勢之比。

調整：實驗裝置、過程不變的前提下，使用電壓傳感器對感應電動勢進行了測量，結果如下。

記錄：線圈匝數比==，感應電動勢比==

結論：感應電動勢E正比于

（注：本文系甘肅省教育科學“十二五”規劃2012年度《高中物理教學策略和教學模式的研究》研究成果，課題批準號（2012）GSG006）編輯：謝穎麗