自制法拉第電磁感應定律定量探究實驗儀

劉明勝+趙亞均

摘 要：法拉第電磁感應定律課堂上很難進行定量實驗。采用傳感器進行探究所用裝置復雜，成本較高，學生進行分組實驗有困難。本文利用自由落體規律和電容器的充電等知識，結合數字電壓表、二極管等簡單元件讓學生分組進行實驗探究，操作簡單，實驗效果好，精準度高，深受師生青睞。

關鍵詞：原理與裝置；數據分析處理；制作與特點

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）2-0061-3

《法拉第電磁感應定律》這一節內容在高中物理教材中既是重點也是難點，不少教材對這一定律的得出也是簡單描述便得出法拉第電磁感應定律。學生對這一規律的得出缺乏感性認識，更沒有動手探究的機會。我們參照一些文獻并進一步改進，在教學中自制“法拉第電磁感應定律定量探究實驗儀。”[1-3]讓學生參與探究活動，學生操作簡單，實驗精度高，效果好，現分享如下：

1 實驗原理與裝置

如圖1所示，將塑玻管穿過固定的自制線圈中心，然后將強磁鐵沿著塑玻管做自由落體運動穿過線圈，穿過線圈的磁通量發生改變，線圈中產生感應電動勢，對電容器充電（如圖2所示）。充電結束，由于二極管具有單向導電性，電容器不能通過二極管放電，此時并聯在電容器兩端的數字電壓表可測出電容器兩端的最高電壓，此電壓便是磁體通過線圈時產生的最大感應電動勢。

（1）探究感應電動勢E與匝數n間的定量關系（保持一定）

讓強磁體從同一高度自由下落，每次穿過線圈的磁通量的變化量ΔΦ相同，到達線圈的速度相同，穿過線圈所用時間Δt相同，就保持不變。改變線圈接入電路的匝數，就可以研究感應電動勢E與匝數n間的定量關系。

（2）探究感應電動勢E與之間的定量關系（保持匝數一定）

同一強磁體從不同高度自由下落，穿過固定線圈，每次通過線圈磁通量的變化量一樣，磁體穿過線圈的時間與穿過線圈的速度有關。

讓磁體從不同的高度自由下落，當下落的高度h1：h2：h3：h4：h5=1：4：9：16：25時，由自由落體運動規律可知經過線圈的瞬時速度v=，物體的末速度之比v1：v2：v3：v4：v5=1：2：3：4：5。這樣，經過線圈這一很小位移所用的時間之比t1：t2：t3：t4：t5=：：：：，則：：：：=v1：v2：v3：v4：v5=1：2：3：4：5。本實驗裝置采用強磁體釋放高度之比為9：16：25：36：49，則磁通量的變化率之比便為3：4：5：6：7。隨后，研究分別從這5個高度自由下落經過線圈時產生的感應電動勢與磁通量變化率間的定量關系。

2 實驗數據的分析與處理

（1）探究感應電動勢與匝數間的定量關系的實驗數據及對應圖像（保持一定）（如表1、圖3所示）。

實驗結論：在一定時，感應電動勢的大小與線圈的匝數成正比。

（2）探究感應電動勢與間的定量關系的實驗數據及對應圖像（保持匝數一定）（表2、圖4）。

實驗結論：在匝數一定時，感應電動勢的大小與成正比。

該教具經過上千次實驗發現，數據測量穩定，研究規律方便，能很好地研究出實驗規律。

3 教具的制作

（1）按圖5所示，用松木板制作40 cm ×30 cm×25 cm的長方形木箱。在區域1挖一直徑為3.5 cm的小孔，在區域2中挖一8 cm×5 cm的矩形小孔。

（2）截取內徑3 cm、長80 cm的塑玻管。

（3）用直徑為0.15 mm的漆包線分別在直徑為

3.7 cm的圓形線模上密繞400、600、800、1000、1200匝。

（4）直流數字電壓表的量程為0～50 V，精度為0.1 V。

（5）二極管為普通整流二極管，耐壓高于500 V。電容器選取耐壓較高、容量較小的電解電容器。強磁體采用兩個15 mm×6 mm的釹鐵硼強磁體。

（6）按圖1和圖2組裝器材，組裝過程注意各元件焊接的可靠性和美觀性。

4 教具的特點

本實驗的元件簡單，設計巧妙，效果很好，可見度高，易于學生操作，數據準確，有利于培養學生動手動腦的能力。本實驗裝置造價低廉，結構簡單，易于自制和仿制，比采用傳感器等復雜設備進行演示探究的方法省錢。經上千次實驗證明該實驗裝置效果良好，穩定可靠，師生使用方便，能很好地探究出“感應電動勢與線圈匝數成正比，與磁通量的變化率成正比”這一規律，不僅有利于教師進行實驗演示，而且有利于學生分組進行探究活動。

參考文獻：

[1]吳月江.法拉第電磁感應定律的定量探究[J].教學儀器與實驗，2010（11）：14-15.

[2]王志斌，余金龍，盧定山，等.研究實驗裝置定量探究法拉第電磁感應定律[J].物理儀器與實驗，2011，27（7）：34-36.

[3]鄭劉德.法拉第電磁感應定律定量演示實驗的研制[J].物理教師，2016，37（4）：23-25.

（欄目編輯 王柏廬）