DIS系統(tǒng)在“法拉第電磁感應(yīng)定律”中的應(yīng)用

王嵐

摘 要：在傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，“法拉第電磁感應(yīng)定律”往往都是由教師直接給出最后的定律內(nèi)容，這樣的實(shí)驗(yàn)過程使得學(xué)生真正參與探究的部分非常少。而DIS系統(tǒng)可以通過傳感器快速獲取并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足，并且便于對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：DIS系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2018）11-032-1

DIS是一個(gè)用傳感器獲取信息，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器后由計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理的教學(xué)技術(shù)平臺(tái)。使用DIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理變得更為簡單，節(jié)省出更多的時(shí)間可以用于給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，從而讓學(xué)生體驗(yàn)到更多的實(shí)驗(yàn)探究的樂趣和成就感。

一、實(shí)現(xiàn)更為簡單的數(shù)據(jù)采集

針對(duì)《法拉第電磁感應(yīng)定律》一課中傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)的弊端，我和同組教師首先在試驗(yàn)中做了初步的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們可以使用刻度尺調(diào)節(jié)磁鐵下落高度，進(jìn)而控制磁通量的變化時(shí)間，同時(shí)使用電壓傳感器來測量線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。通過DIS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖線的變化，我們可以更為直觀地看到實(shí)驗(yàn)過程中的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小變化，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵還可以選擇查看圖線上某一點(diǎn)的具體值（包括時(shí)間和感應(yīng)電動(dòng)勢），這樣學(xué)生就能夠觀察到更為直觀的數(shù)據(jù)。而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上稍微做了一些改進(jìn)，操作難度不大，可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)完成。

二、實(shí)現(xiàn)簡化的數(shù)據(jù)處理過程

在能夠方便、直觀的采集到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還可以通過DIS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這可以讓學(xué)生能夠在有限的時(shí)間內(nèi)得到更為具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為此我們又進(jìn)行了下面的實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)采用了電壓傳感器和光電門傳感器，當(dāng)磁通量變化相同時(shí)可以得到感應(yīng)電動(dòng)勢和時(shí)間的關(guān)系。進(jìn)入配套的電磁感應(yīng)定律數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)后，就可以非常方便、直觀的看到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這樣就可以省去大量的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，適合教師進(jìn)行演示教學(xué)。

但是，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中我們遇到了一些困難和阻礙。首先，這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是有內(nèi)接電壓傳感器的，只需要外接光電門傳感器就可以同時(shí)得到感應(yīng)電動(dòng)勢和對(duì)應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)，但是在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)這僅有的一套裝置的內(nèi)接電壓傳感器和配套的應(yīng)用程序無法進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，系統(tǒng)顯示為沒有接入傳感器。經(jīng)過多次嘗試無果后，我們只好改用外接電壓傳感器的方法。但是本套器材沒有提供外接插孔，我們開始通過纏繞金屬絲的方法將電壓傳感器和裝備連接起來，但是讀出的電壓值出現(xiàn)了負(fù)值：即線框以相同的速度方向切割磁感線，而輸出電壓有時(shí)為正，有時(shí)為負(fù)。

經(jīng)排查，問題沒有出現(xiàn)電壓傳感器本身。我們初步猜測是線圈下落過程會(huì)帶動(dòng)傳感器接頭，讀出電壓值出現(xiàn)了不穩(wěn)的現(xiàn)象，多次出現(xiàn)了負(fù)值。

因此我們采用膠帶纏繞等固定方法，電壓讀數(shù)不穩(wěn)的現(xiàn)象得到了改善，所測電壓出現(xiàn)負(fù)值的幾率明顯變小，但似乎還是無法完全消除出現(xiàn)負(fù)值的情況。

此外，排除無效數(shù)據(jù)之后，我們又發(fā)現(xiàn)獲得的圖像明顯與縱軸出現(xiàn)交點(diǎn)，而不是接近或通過原點(diǎn)。我組教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研討，在保證磁通量一定的情況下，排除無效數(shù)據(jù)之后，圖線斜率理論上應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)太大偏差。所以出現(xiàn)與坐標(biāo)軸交點(diǎn)，應(yīng)該是圖像出現(xiàn)平移。那么在采集數(shù)據(jù)中感應(yīng)電動(dòng)勢和時(shí)間值，到底是哪個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了偏差呢？

考慮線圈內(nèi)阻的情況下，我們可以分析得到實(shí)驗(yàn)獲取的感應(yīng)電動(dòng)勢的值應(yīng)比實(shí)際值偏小，那么圖像要整體向下平移，會(huì)與橫軸有交點(diǎn)，而不是與縱軸有交點(diǎn)。而時(shí)間值的獲得主要依靠光電門傳感器，線圈下落時(shí)攜帶的擋板通過光電門的時(shí)間被記錄為磁通量的變化時(shí)間，那么這兩個(gè)時(shí)間是否真的完全對(duì)應(yīng)上了嗎？我們注意到，光電門在上方放置位置較高，這意味著擋板通過光電門時(shí)的時(shí)間會(huì)略大于真正的磁通量的變化時(shí)間。那么整體圖像將相對(duì)于理論值向左平移，會(huì)與縱軸出現(xiàn)交點(diǎn)。當(dāng)我們將光電門位置適當(dāng)下調(diào)后，情況得到了一定的改善，獲得了更為理想的圖像結(jié)果。

由此，我們又想到，可不可以再對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)？前面的實(shí)驗(yàn)中，由于線框帶動(dòng)電壓傳感器的接線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電壓值讀取出現(xiàn)不穩(wěn)，那么是否可以讓線框不動(dòng)，換成磁鐵運(yùn)動(dòng)呢？那么，我們就可以讓學(xué)生結(jié)合電壓傳感器和光電門傳感器進(jìn)行討論，從而進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

三、實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、創(chuàng)新

由于在上個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們認(rèn)為電壓讀數(shù)偶爾出現(xiàn)負(fù)值主要是因?yàn)榫€圈下落過程，電壓傳感器連線會(huì)發(fā)生震動(dòng)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

開始的幾次實(shí)驗(yàn)中，我們只是將線圈簡單進(jìn)行了固定，然后連接電壓傳感器。讓小車帶動(dòng)磁鐵相對(duì)線圈發(fā)生運(yùn)動(dòng)。通過改變軌道傾角，進(jìn)而改變磁鐵相對(duì)線圈的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。開始幾次得到的數(shù)據(jù)圖線。但有些點(diǎn)明顯沒有在一條直線上，應(yīng)該是斜率出現(xiàn)偏差，也就是說磁通量的變化量可能不完全相同。我們觀察發(fā)現(xiàn)，通過導(dǎo)軌上的坐標(biāo)刻度，可以看到每次碰撞后線圈都出現(xiàn)了明顯的挪位，這可能是導(dǎo)致磁通量變化量不同的原因。于是我們將線圈位置固定在導(dǎo)軌末端，來減少線圈被撞挪位的現(xiàn)象。之后，我們得到了更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)圖像。

同時(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，小車速度越大時(shí)，讀出的電壓似乎更容易出現(xiàn)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，比如時(shí)間變短了，電壓也變小了。我們經(jīng)過分析認(rèn)為，應(yīng)該是由于撞擊力度越大時(shí)，電壓傳感器接頭也會(huì)受到明顯震動(dòng)，導(dǎo)致電壓讀數(shù)出現(xiàn)偏差，但是沒有再出現(xiàn)電壓負(fù)值的情況。相對(duì)于上一實(shí)驗(yàn)，有了一定的改善。但是由于實(shí)驗(yàn)用到的線圈匝數(shù)較多，內(nèi)阻稍大一些，圖線會(huì)明顯與橫軸出現(xiàn)交點(diǎn)。

在這幾次實(shí)驗(yàn)中，我感到，在我們有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，完全可以嘗試通過DIS系統(tǒng)的應(yīng)用把學(xué)生從繁瑣的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理中解放出來，讓更多的學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新中來。當(dāng)然這其中也需要教師不斷進(jìn)行探索、試驗(yàn)，結(jié)合不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。