“用DIS傳感器探究法拉第電磁感應定律”實驗教學設計

夏煜明

（重慶市銅梁中學校）

一、實驗設計背景分析

（一）教材與學情分析

本節內容是針對人教版教材選修3-2第4章的第4節“法拉第電磁感應定律”的教學設計。法拉第電磁感應定律是高中物理電磁學部分的重要內容。《普通高中物理課程標準》對這一部分的要求是Ⅱ級，要求掌握法拉第電磁感應定律，能計算感應電動勢的大小。教材上這部分只有定性的實驗介紹，沒有定量的實驗驗證，教材這部分的引入，主要是基于第2節的兩個定性實驗，然后，教材直接介紹公式和推導，這讓學生在理解這部分內容的時候，特別是對公式E=nΔΦ/Δt中磁通量變化率以及與線圈匝數n的定量關系理解困難。因此，筆者希望通過利用DIS微電壓傳感器對第2節的實驗進行改進，讓學生不僅能夠定性地探究感應電動勢的產生條件，而且能夠對法拉第電磁感應定律進行探究或驗證，幫助學生理解公式。

（二）實驗創新與改進

本實驗對教材第2節模仿法拉第的實驗進行了改進，在感應電路中用DIS微電壓傳感器代替電流計，用條形磁鐵直接代替通電螺線管，并且增加了用單根和兩根條形磁鐵同時插入、抽出相同螺線圈，用一根條形磁鐵以相同速度插入、抽出可調多匝線圈進行對比實驗。

（三）實驗原理

當通過閉合電路的磁通量改變時，閉合電路內會產生感應電動勢。感應電動勢的大小與閉合電路的線圈、磁通量的變化率成正比，即E=nΔΦ/Δt。若保持變化的時間一樣，就要改變磁通量的變化量，來研究磁通量的變化量對感應電動勢的影響。若保持磁通量的變化率一樣，就要改變線圈的匝數，來研究線圈匝數對感應電動勢的影響。

二、實驗內容設計

（一）實驗教學重、難點

重點：通過實驗觀察和實驗探究，理解感應電動勢的大小與閉合電路的線圈匝數、磁通量變化率的關系。

難點：感應電動勢的大小與磁通量的變化率的關系。

（二）實驗教學內容

本次實驗包括兩個探究實驗。探究實驗一：用兩個完全相同的原線圈，一個內部放一根條形磁鐵，另一個內部放兩根條形磁鐵，同時采集磁鐵以相同的速度從兩個線圈中拔出的感應電動勢。改變磁鐵拔出的速度，采集多組數據，比較兩個感應電動勢。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2，在實驗誤差范圍內，可近似認為感應電動勢E∝ΔΦ。

探究實驗二：用一根條形磁鐵穿過可調線圈，開始時選擇2000匝，第二次選擇4000匝。分別采集磁鐵以相同的速度從兩個線圈中拔出的感應電動勢，采集多組數據，比較兩個感應電動勢。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2。在實驗誤差范圍內，可近似認為感應電動勢E∝n。

三、實驗教學方法

本次實驗教學中主要用到實驗觀察法、分析法、實驗歸納法、講授法。

四、實驗教學過程

【引入課題】 師：（多媒體展示）近年來，無線充電手機、無線充電汽車逐漸進入人們的視野，引起了大家的關注。那么無限充電的原理是什么呢？

【復習導入】 師：（多媒體展示）第2節的模擬法拉第電磁感應定律的實驗。

【提出問題】 師：（多媒體展示）感應電動勢的產生條件是否和感應電流產生的條件一樣呢？

【猜想假設】（引導學生）猜想：閉合回路感應電動勢大小可能與磁通量的變化、線圈的匝數有關。

【設計實驗】（引導）生：在螺旋線的兩端直接接電壓表來測量感應電動勢。（教師解釋由于感應電動勢較小，實驗室的電壓表不能直接測量出來，因此這里我們采用DIS微電壓傳感器代替傳統的電壓表進行測量。）

【實驗探究】 教師先進行演示實驗，在進行實驗時，可以邊實驗邊給學生講解一下DIS微電壓傳感器的原理和使用注意事項，然后引導學生進行分組實驗探究，做好實驗數據處理與記錄。下列是兩次實驗的數據圖表。

【分析討論】 教師引導學生對得出的實驗圖像進行分析，不同顏色代表不同的傳感器測得的電壓值。

圖1 同時從螺線管中抽出兩根（左）和一根（右）磁鐵時感應電動勢圖像

圖2 從可調螺線管中（左圖2000匝，右圖4000匝）抽出磁鐵時感應電動勢圖像

從圖1、圖2中可以看出，二者的電壓值近似為2倍。

【得出結論】 閉合電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，跟閉合電路的匝數成正比。

五、實驗教學效果與評價

本實驗的實驗操作簡便，實驗現象非常明顯，實驗的數據處理也較為簡便，能夠較好地幫助學生理解閉合電路中感應電動勢與磁通量的變化率、閉合電路的線圈匝數之間的關系，希望這個實驗能夠得到推廣應用。