幾種定量驗證法拉第電磁感應定律實驗的鑒析

唐建勛

(無錫市輔仁高級中學,江蘇 無錫 214123)

人教版“法拉第電磁感應定律”這一課時的教學安排中,法拉第電磁感應定律作為實驗結論是直接在教材中給出的,教材中沒有展示任何演示實驗或學生實驗．但是該定律可以通過簡單的演示實驗進行驗證,教學上通常的設計是利用條形磁鐵、線圈和電流計,將磁鐵置于線圈中插拔,通過改變插拔速度,觀察電流計示數的不同,從而得出磁通量變化越快,感應電動勢越大的結論.然而受制于傳統的實驗技術和手段,在課堂上只能對該定律進行定性研究,無法實現定量驗證．隨著近幾年來朗威DISLab系統的推廣應用,使得傳統電磁類實驗能夠通過傳感器進行連續的實驗數據采集,并通過計算機對所采集的數據進行實時記錄和處理,使得以往只能在專業實驗室中完成的實驗能在課堂上演示．目前對法拉第電磁感應定律進行定量驗證的實驗有若干種,本文筆者對比分析了下列各實驗．

1 朗威法拉第電磁感應實驗器Ⅰ

圖1

如圖1所示,底座A上安裝豎直軌道B和長方形扁平磁鐵C(磁場水平指向);線圈D可在軌道中從不同高度自由下落,線圈通過導線E連接內置在底座內的朗威電壓傳感器F,以確保導線不會影響到線圈的順利下落;擋光片G固定在線圈上端;實驗器底座上安裝有光電門H．電壓和光電門傳感器均接入同樣內置在底座內的實驗器采集電路I,并通過USB接口J與計算機連接．

2 朗威法拉第電磁感應實驗器Ⅱ

如圖2所示,底座A上安裝初級線圈B、次級線圈C和磁感應強度傳感器D;線圈通過細導線E連接內置在底座內的電壓傳感器F;初級線圈由朗威智能電源G供電;實驗器底座內置實驗器采集電路H,并通過USB接口連接計算機．

圖2

3 自由落體電磁感應實驗

圖3

如圖3所示,將一根有機玻璃管豎直固定,在管身上標定距離刻度．在管身上套有一定匝數的線圈,同時把線圈連接至電流傳感器,在計算機上顯示電流i隨時間t變化圖像．在玻璃管口從靜止釋放一強磁鐵,下落時穿過線圈產生感應電動勢,進而產生感應電流,然后由電流傳感器將電流峰值記錄在DISLab軟件上,如圖4所示．

圖4

圖5

4 插拔條形磁鐵電磁感應實驗

圖6

圖7

5 旋轉磁鐵產生感應電動勢實驗(Ⅰ)

圖8

圖9

圖10

圖11

6 旋轉磁鐵產生感應電動勢實驗(Ⅱ)

上述6種實驗均能對法拉第電磁感應定律進行嚴格的定量驗證,這都歸功于DISLab系統的電壓傳感器、電流傳感器對電壓、電流的實時記錄,以及求平均值和求圖像面積等特殊處理,突破了傳統實驗數據處理所無法在課堂實現的限制．但是盡管這些實驗采用的數據記錄和數據處理手段都是源自于DISLab系統,但是這6個實驗卻各有不同,它們的設計思路呈現出各自的特色．

實驗1和實驗2是DISLab系統自帶的兩套整合化的實驗裝置,而且其各自帶有專用分析軟件,其中實驗1本質是動生電動勢,實驗2本質為感生電動勢,兩套裝置都將各種傳感器精巧地組合設計在一起,顯得緊湊精準,配合提供的專用軟件,是這6種實驗中操作最簡便快捷,數據最精確的．可也正是因為其高度的整合與精巧的設計,往往使學生在課堂上較為被動地接受了這樣的實驗原理和設計思路,教師進行演示時會為了追求實驗原理的合理性、實驗數據的精準性、實驗數據獲得與處理的快捷性,而缺乏對學生的思維過程的引導,所以學生雖然能較快地得到定量的結論,但給學生留白的空間太少,容易產生他們對法拉第電磁感應定律的驗證知其然而不知其所以然的情況．

實驗5、實驗6的設計相對于實驗3的速度定量更為精確且可控,誤差較小;相對于實驗1、實驗2的教學演示更為直觀清晰,可視性效果更好;相對于實驗4的實驗設計思路更為通俗簡便,對學生的思維負擔小．但對實驗器材準備的條件來看,實驗5和實驗6是這幾個實驗中要求最高的,也對教師動手自制實驗儀器的能力提出了較高的要求．