直線型法拉第電磁感應定律分析演示儀

周雅梅 代偉 黎源逍 尚菡

摘 要：針對法拉第電磁感應定律定量分析儀器的不足，設計了直線型法拉第電磁感應定律分析演示儀.該演示儀不但演示性好，可操作性強，學生理解起來容易，而且還可完成對法拉第電磁感應定律的精確定量分析和探究，實驗儀器新穎，測量精度高，對培養學生的動手能力和創新精神有所幫助.

關鍵詞：直線型;電磁感應定律;演示儀

文章編號：1008-4134（2019）17-0040中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

法拉第電磁感應定律是中學物理電學部分中一個很重要的電學定律，為了幫助學生對該定律更好地理解，以往在教學過程中由于沒有專門的設備，許多教師為此都積極地設計和制作了一些演示法拉第電磁感應定律的實驗器材，但這些實驗器材都或多或少存在一些問題：一是設計和制作的演示儀器演示效果差，使用效果不好;二是設計和制作的演示儀器結構復雜，操作不便，實驗成功率低.筆者設計的直線型法拉第電磁感應定律分析演示儀克服了原有儀器的不足，形象而可靠地演示了法拉第電磁感應定律，從而實現對法拉第電磁感應定律E=n·ΔΦ/Δt中各量之間關系的精確定量探究分析.

1 現有儀器的不足

現有的法拉第電磁感應定律定量分析儀器定性的多、定量的少，或者是半定量粗略地研究法拉第電磁感應定律[1].如專利號為201020197743.X的實用新型專利為了改變穿過線圈的磁感應強度采取的做法是在一鐵棒上纏繞漆包線，通過改變線圈中的電流大小改變磁感應強度的大小，通過改變鐵棒在豎直長直管中自由下落的高度改變磁場切割線圈的速度，通過抽頭來改變線圈的匝數，從而使線圈產生不同的感應電動勢，完成對法拉第電磁感應定律的定量探究.這樣的設計存在的問題是由于管子的長度有限，鐵棒在豎直長直管中自由下落的時間很短，即使通過傳感器來進行測量也只能測到一組數據，只能進行單次測量而且測量精度不高.

2 直線型法拉第電磁感應定律分析演示儀

針對現有的法拉第電磁感應定律分析儀器的不足，新設計的定量分析儀器裝置結構如圖1所示，實物圖如圖2所示.儀器有一水平底板，底板上水平放置一有機玻璃管，同時在底板上安裝定滑輪和直流調速電機以及電機控制元件，通過控制直流電機作自動往返運動.在電機軸上纏繞一根細鋼絲去帶動磁鐵盒在有機玻璃管中來回穿梭，讓閉合線圈去切割磁場.在有機玻璃管的外面固定三個帶抽頭的線圈，其中兩個為演示線圈，一個為測量線圈.測量線圈的抽頭與底板上的測量接線柱連接以便于與電壓傳感器連接進而進行定量分析.兩個演示線圈分別與反向并聯的兩組發光二極管連接，兩個演示線圈的匝數一個多一個少，實驗中可以定性演示感應電動勢大小與線圈匝數多少的關系，演示磁鐵靠近和離開閉合線圈時二極管顏色和亮度的變化，演示線圈與發光二極管的接線如圖3所示.

實驗時根據二極管的發光情況來定性分析法拉第電磁感應定律并演示線圈切割磁場產生感應電動勢的大小和方向.一個可以安放不同型號磁鐵的圓筒形磁鐵盒通過直流調速電機的正反轉帶動后可使磁鐵能在水平有機玻璃管中往復運動進而反復切割線圈使線圈中產生交變感應電動勢，一個電壓傳感器與測量用電磁線圈的多個抽頭相連，通過電壓傳感器能測出多組數據，通過改變電機的轉速可改變磁體切割線圈磁感應線的速度，通過改變磁鐵盒中磁鐵的大小可改

變磁體切割線圈的磁感應強度，通過改變測量線圈的抽頭可改變線圈的匝數，通過以上技術措施可以借助本儀器定量探究測量線圈中感應電動勢的大小與線圈匝數、磁通量的變化率的關系，通過實驗數據分析可歸納得出法拉第電磁感應定律的數學表達式E=n·ΔΦ/Δt [2].電壓傳感器測得的數據接入計算機由電腦顯示感應電動勢隨時間變化的曲線，這樣使測量和分析數據都非常直觀.

3 演示感應電動勢的大小和方向

為了觀察磁場切割感應線圈時感應線圈中有感應電動勢的產生，并演示感應電動勢的大小和方向，采取的技術方案是將紅綠發光二極管反向并聯后再與感應線圈串聯[3].當磁鐵盒靠近線圈時紅光二極管發光，當磁鐵盒離開線圈時綠光二極管發光，由此來演示感應電動勢的方向;改變電機的轉速，發光二極管的頻閃速度和亮度也跟著改變，由此來演示感應電動勢的大小變化規律.如果將電機反轉，觀察到的實驗現象與正轉剛好相反，若電機做往復運動則紅、綠發光二極管就會不停地交替閃爍.通過觀察兩組二極管的發光情況可定性演示線圈切割磁場產生感應電動勢的大小和方向.

4 法拉第電磁感應定律的精確定量探究分析

4.1 定量探究感應電動勢E與時間Δt的關系

保持線圈匝數n和磁通量ΔΦ一定，改變電機電壓，通過調壓改變電機轉速，使磁鐵切割線圈的Δt改變，用電壓傳感器讀出不同電機電壓所對應的感應電動勢大小.實驗中，n=2000匝，磁鐵盒中裝中號磁鐵，實驗數據見表1，擬合直線如圖4所示.

由表1和圖4可以直觀地得出，當n和ΔΦ一定時，E和1Δt成正比關系.

4.2 定量探究感應電動勢E與磁通量ΔΦ的關系

保持線圈匝數n和時間Δt（電機電壓）一定，實驗中，n=2000匝，電機電壓為6V，磁鐵盒中分別裝入不同型號的磁鐵1個，線圈截面不變，通過改變磁感應強度B，從而改變磁通量ΔΦ，用電壓傳感器測出不同型號磁鐵所對應的感應電動勢大小.實驗數據見表2，擬合直線如圖5所示.

由表2和圖5可以直觀地得出，當n和Δt一定時，E和B成正比，由ΔΦ=ΔB·S，即E和ΔΦ成正比.

4.3 定量探究感應電動勢E與線圈匝數n的關系

保持磁通量ΔΦ和時間Δt（電機電壓）一定，線圈截面不變，改變線圈匝數n，用電壓傳感器讀出不同線圈匝數所對應的感應電動勢大小.實驗中，磁鐵為中號，電機電壓為6V，實驗數據見表3所示，擬合直線如圖6所示.

由表3和圖6可以很直觀地得出，當ΔΦ和Δt一定時，E和n成正比關系.

5 實驗裝置優點

（1）儀器結構新穎，演示效果好，測量準確，對培養學生的創新精神和創新意識有幫助.

（2）磁鐵是從線圈中間穿過，能非常直觀地引導學生建立起閉合線圈切割磁場能產生感應電動勢的物理情景.

（3）探究測量和演示過程中磁鐵在線圈中來回穿梭，線圈切割磁場呈周期性變化，所以線圈中產生的感應電動勢也呈周期變化，兩組彩色發光二極管交替閃爍，既能吸引學生的注意力，又能激發學生的好奇心，能很好培養學生學物理的興趣.

（4）實驗數據通過電腦顯示，方便觀察測量和數據分析.

參考文獻：

[1] 彭鐘樊，代偉，王丹等.法拉第電磁感應定律定量分析探究演示儀[J].物理實驗，2017，37（05）：55-57.

[2] 王志斌，王琳，余金龍，盧定山.定量探究法拉第電磁感應定律裝置：中國，CN 201707818 U[P].2010.05.14.