《法拉第電磁感應定律》的實驗創新設計

李二勃

摘要：本節課是從感應電流進一步深入到感應電動勢來理解的，即研究“決定感應電動勢大小的因素”。教科書在這個問題上的處理并沒有通過實驗探究，而是以陳述事實的方式，引入法拉第電磁感應定律，而本節課的設計既延續了這一思想，又結合生活發現，設計了兩個創新實驗進行驗證，既讓學生領會了物理學的真正歷史，也在實驗探究中加深了對法拉第電磁感應現象的理解，提高了學生獲取知識的樂趣。

關鍵詞：法拉第電磁感應定律;感應電動勢;磁通量變化率

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2020）16-075-1

《法拉第電磁感應定律》是人教版普通高中課程標準實驗教科書·物理選修3-2·第四章第四節。新課程標準對本節內容的要求層次為：知道什么叫感應電動勢，理解法拉第電磁感應定律的內容及數學表達式。課程標準的這種要求充分考慮到高中學生的知識基礎和認知能力。通過學習，提高學生的觀察能力、理解能力、探究能力和分析能力。就本節內容而言，“法拉第電磁感應定律”是電磁學的核心內容，從知識的發展來看，它既能與電場、磁場和恒定電流有緊密的聯系，又是學習交流電、電磁振蕩和電磁波的重要基礎;從能力的發展來看，它既能在與力、熱知識的綜合應用中培養綜合分析能力，又能全面體現能量守恒的觀點。因此，它既是教學的重點，又是教學的難點。

一、思想創新

教科書用“在法拉第、紐曼、韋伯等人工作的基礎上，人們認識到：感應電動勢與穿過這一回路的磁通量的變化率成正比”的表述給出了電磁感應定律，其目的是力圖通過這一物理規律的教學，充分體現人類認識事物的一種真實圖景。本文的思想是既再現歷史的真實研究場景，又結合科學技術的發展，設計實驗進行驗證，提高學生學習物理的興趣。

二、實驗創新

本節課在實驗上做了兩個創新，一個是從生活中獲得的靈感，設計了教師演示實驗利用電磁爐可以產生變化的磁場，間接導致回路上有變化的磁通量，而燈泡的亮度變化可以直觀的讓學生感受匝數和磁通量的變化率對感應電動勢的理解;二是設計了學生實驗，利用學生電源，大小線圈，滑動變阻器，多用電表等定量驗證法拉第電磁感應定律，數據的處理學生可以直接進行計算，也可以作圖說明;最后對誤差進行分析，充分培養了學生分析問題、解決問題的能力，感悟從不同物理現象中抽象出個性與共性問題的方法，培養學生對不同事物進行分析，找出共性與個性的辯證唯物主義思想。

三、容易推廣

本次實驗不管是教師演示實驗，還是學生分組實驗，用到的所有實驗器材均為實驗室常用器材和生活中常見材料，做出來的實驗現象效果明顯，學生震撼，并且能夠通過問題設置疑惑，充分調動學生學習的積極性，進行思維的碰撞，從而達到師生共鳴的效果。

實驗解說：

1.教師演示實驗

設計初衷：長期以來，學生對于法拉第電磁感應定律的理解停留在思想層面和理解層面，并未直觀的通過實驗看到匝數，磁通量的變化率對感應電動勢的理解，尤其是磁通量的方向性，更是學生較難理解的難題之一，因此設計該試驗，讓學生從現象層面加深認識從而促進對其本質的理解。

器材準備：電磁爐，導線，小燈泡，滑動變阻器，小鋁盆

實驗原理：電磁爐可以在其周圍產生變化的磁場，我們將一匝線圈連接燈泡和滑動變阻器套在電磁爐上，滑動變阻器主要起到保護電路的作用，這個時候保持線圈匝數不變，逐步升高電磁爐的頻率，我們可以清楚地看到燈泡逐步變亮;然后保持電磁爐的頻率為某一定值，依次增加線圈的環繞匝數，燈泡的量度也會逐漸變亮。注意：這里有一個很好的教學機會，就是我們在放置最后一匝線圈的時候，趁學生不注意，轉個圈，讓電流方向與之前的相反，導致的直觀現象就是，匝數增加，但小燈泡的亮度并沒有增加反倒降低了，學生非常震撼，進一步利用此現象講解磁通量的方向性，從而巧妙地突破教學難點。

2.學生分組實驗

設計初衷：本節內容一直都沒有簡單有效的學生分組實驗，因此設計此實驗，力圖讓學生從理論和實驗上雙重理解法拉第電磁感應定律，加深認識。

器材準備：學生電源、大小線圈、指針式多用電表、滑動變阻器、導線

實驗原理：用導線將學生電源、滑動變阻器、大線圈連接起來，滑動變阻器主要起到保護電路的作用，學生電源使用交流電，大線圈周圍就會產生變化的磁場，小線圈里面就會產生感應電流，隨著交流電壓的升高，小線圈里面磁通量的變化率也會升高，交流電壓成倍增加，小線圈產生的感應電動勢也成倍增加，從而精確地驗證法拉第電磁感應定律，數據如下表：

UAB（V）△φ△t1.52.22.93.64.3

UCD（V）E1.42.12.83.54.2

數據分析和誤差分析：從數據中我們可以看到，當小線圈的電壓逐漸增加，它周邊產生的磁通量的變化率就會增加，小線圈周邊的磁通量增加多少，我們看到大線圈產生的感應電動勢也會增加多少，那為什么小線圈產生的磁通量的變化率不等于大線圈的感應電動勢，仔細分析有以下三條原因：

大小線圈的匝數不同

小線圈和大線圈中間沒有完全緊貼，有空隙

周邊電路中的交流電產生的磁場對大線圈的影響

如果我們可以克服這些誤差，做到小線圈產生的磁通量的變化率和大線圈產生的感應電動勢第一組數據相等，那我們通過后面的數據就準確的驗證了法拉第電磁感應定律。

綜上，本文通過設計創新實驗，既還原了課本真實的物理學發展歷史，又通過演示實驗和小組實驗，讓學生真實的體會到法拉第電磁感應定律的正確性，鍛煉了學生的思維能力和動手能力，也提高了學生學習物理的興趣，落實了物理學科核心素養，讓我們的學生真正具備將來應對各種挑戰的必備品格和關鍵能力。

[參考文獻]

[1]袁俊.法拉第電磁感應定律”創新實驗設計[J].中學物理教學參考，2018（Z1）.

（作者單位：陜西省西安市第六十六中學，陜西 西安 710018）