法拉第電磁感應定律定量分析探究演示儀

彭鐘樊,代 偉，王 丹，鄒 勤，王玉涵

(西華師范大學 物理與空間科學學院,四川 南充 637002)

法拉第電磁感應定律定量分析探究演示儀

彭鐘樊,代 偉，王 丹，鄒 勤，王玉涵

(西華師范大學 物理與空間科學學院,四川 南充 637002)

針對傳統的法拉第電磁感應定律演示裝置只能進行定性或半定量分析的問題，設計了法拉第電磁感應定律定量分析探究演示儀，該實驗裝置不但能更好的演示法拉第電磁感應定律，而且還可完成定量分析和探究，演示效果好，定量分析精確度高，值得在中學物理教學中推廣.

法拉第電磁感應；感應電動勢；磁通量

法拉第電磁感應定律是中學物理電學部分中重要的電學定律，以往在教學過程中，由于沒有專門的設備，教師們往往只是對照課本的圖例進行講解，由于沒有形象的演示，學生對于法拉第電磁感應定律的印象不深刻，效果較差,即使有實驗演示，也往往都是使用條形磁鐵、線圈和靈敏電流計按照教材中所示的方法來完成，只能粗略地進行定性演示，無法證明電動勢的大小與磁通量變化量和時間的比值及電磁感應線圈的匝數成正比.新課改要求讓學生在自己定量探究的前提下自己得出法拉第電磁感應定律，學會科學探究的方法，傳統的裝置無法滿足課改的要求.為了讓學生對法拉第電磁感應定律進行精確的定量探究，筆者設計了法拉第電磁感應定律定量分析探究演示儀，該實驗裝置不但能更好地演示法拉第電磁感應定律，而且還可完成定量分析和探究.

1 實驗原理

法拉第電磁感應定律分析探究演示儀利用控制變量法進行實驗探究,分別探究磁感應強度、磁鐵切割線圈的速度(電磁線圈切割磁感線的速度關系)和線圈的匝數與感應電動勢的關系.通過改變紐扣磁鐵的數量來改變切割電磁感應線圈的磁感應強度；通過調壓調速改變電機的轉速可探究磁場切割電磁感應線圈的速度變化時線圈中感應電動勢的變化；通過改變測量線圈的抽頭可探究線圈感應電動勢與匝數的關系.

2 法拉第電磁感應定律定量分析探究演示儀實驗裝置

1.底座 2.立板 3.可調穩壓直流電源 4.測量用電磁線圈 5.擋圈 6.調速電機 7.調壓開關 8.電源總開關 9.直流電機正反轉開關 10.測量線圈抽頭接線柱 11.強力紐扣磁鐵 12.亞克力板 13.演示用電磁線圈 14.發光二極管 15.裝飾紙 16.數據采集系統 17.顯示器圖1 儀器結構圖

法拉第電磁感應定律定量分析探究演示儀裝置結構如圖1所示，實物如圖2所示.儀器的底座上安裝豎直立板，立板上部中心位置安裝直流調速電機(型號為XD-3420,額定電壓選12 V，電機的調壓范圍為5～30 V，電機的空載轉速選3 000 r/min),在立板正面以電機軸為中心安裝4個電磁感應線圈，上面3個線圈匝數均為1 000匝，最下方的線圈為測量線圈，有400,600,800,1 000匝的中間抽頭.在電機軸上固定一長條形的亞克力板，板的兩端各開3個圓孔，便于安放紐扣磁鐵.在每個演示線圈的外圓方向安裝1組如圖3所示的反向并聯的紅、綠2種顏色的發光二極管，用來演示感應線圈中感應電動勢大小和方向的變化.測量線圈中所產生的感應電動勢通過朗威電壓傳感器進行測量，通過電腦數據處理軟件完成數據采集和測量任務.

圖2 儀器實物圖 圖3 二極管接線圖

3 定量探究法拉第電磁感應定律

表與1/Δt關系的測量數據

圖與1/Δt關系圖

保持線圈的匝數、截面不變，當N=400匝，電機電壓10 V時，改變磁鐵個數，探究磁通量ΔΦ變化時電磁線圈產生的感應電動勢ε的變化規律.當紐扣磁鐵個數i分別為1,2,3個時,改變ΔΦ測得的感應電動勢ε如表2所示.

表2 N=400匝，電機電壓10 V，改變磁鐵個數測得的ε

圖與ΔΦ關系

當磁鐵個數為3個，線圈截面不變，電機電壓10 V，改變線圈匝數N，探究N與電磁線圈產生的感應電動勢ε關系，當線圈匝數為400,600,800,1 000匝時測得的實驗數據如表3所示.

表3 紐扣磁鐵3個，電機電壓10 V，改變線圈匝數測得的ε

圖與N的關系圖

4 法拉第電磁感應定律的演示

演示時為了觀察磁場切割感應線圈時感應線圈中有感應電動勢產生，采取的技術方案是按圖3所示的線路將紅綠發光二極管反向并聯后再與演示感應線圈串聯，當磁鐵靠近線圈時紅光二極管發光，當磁鐵離開線圈時綠光二極管發光，改變電機的轉速，發光二極管的頻閃速度和亮度也隨著改變，如果將電機反轉，觀察到的實驗現象與正轉剛好相反.

5 儀器優點

1)儀器結構緊湊，既可以定量分析探究法拉第電磁感應定律，又可演示法拉第電磁感應定律，一物多用，節約資金.

2)探究測量和演示過程中磁鐵切割線圈速度Δt的改變通過改變電機的電壓即可實現，通過改變磁鐵的個數改變ΔΦ，可通過換接抽頭接線柱簡單完成感應線圈匝數的改變，實驗操作簡便.通過紅綠發光二極管的亮度變化就可明顯觀察到感應電動勢大小和方向改變.

3)實驗數據的采集和測量通過朗威電壓傳感器和計算機結合就能將所需實驗數據保存在電腦中，既可以觀察感應電動勢的波形又方便實驗數據處理.

[1] 趙亞兵，張濤.利用變壓器演示電磁感應定律[J].教學儀器與實驗,2014，31(3):29-30.

[2] 唐挈.“ε=Δφ/Δt”的定量教學與研究[J].物理通報,2002(2):27-28.

[3] 韓仁隆.電磁感應(系列)演示器的自制和應用[J].實驗教學與儀器，2010,27(2):43-45.

[4] 楊保河.法拉第電磁感應定律演示儀研究[J].許昌師專學報(自然科學版),2001,20(5):25-27.

[責任編輯：尹冬梅]

Demonstrator for quantitative analysis of Faraday law of induction

PENG Zhong-fan, DAI Wei, WANG Dan, ZOU Qin, WANG Yu-han

(College of Physical and Spacial Science， China West Normal University, Nanchong 637002, China)

Traditional demonstrator of Faraday law of induction could provide qualitative and semi-quantitative analysis only, so a quantitative analysis demonstrator of Faraday law of induction was designed.By changing the rotate speed of electrical motor, the relation of the change rate of flux and the speed of the coil was explored.By changing the number of magnet, the relation of the change rate of flux and magnetic field strength was explored.By changing the taps of the coil, the change of the magnetic induction was explored when changing the number of coils.

Faraday law of induction; magnetic field strength; magnetic induction

2016-12-29

四川省研究生教育改革創新項目(川學位[2013]15號)

彭鐘樊(1995-)，女，四川蓬安人，西華師范大學物理與空間科學學院學科教育(物理)2017級碩士研究生，研究方向為學科教育研究．

代 偉(1964-)，男，四川遂寧人，西華師范大學物理與空間科學學院教授，學士，主要從事大學物理實驗教學與研究．

G633.7

A

1005-4642(2017)05-0055-03