法拉第電磁感應定律定量演示實驗

袁維兵

摘要：對“法拉第電磁感應定律”的實驗進行研究開發，現有教材既沒有對法拉第電磁感應定律進行嚴密推導又沒有實驗定量演示，很不利于教師教和學生學。而法拉第電磁感應定律又是高考重點。該項目設計通過磁鐵的自由落體運動穿過線圈產生感應電動勢，從而產生感應電流。將感應電動勢與磁通量變化率的關系轉變為感應電流與磁鐵穿過線圈時的速度的關系，更近一步轉化為感應電流與物體下落位移的關系。再通過實驗用的數字電表測感應電流，直尺測物體位移就很直觀的看出了感應電動勢與磁通量變化率的關系。改變了由直接向學生傳授定律向學生實驗探究的轉變，既提高了學生的學習興趣和理解能力;又讓學生學習了實驗設計的方法。讓學生對法拉第電磁感應定律的理解更加完美。

關鍵詞：自由落體運動;感應電動勢;磁通量變化率;速度;位移

1.研究目的及意義

經多次的高中課程改革，接觸到幾種不同時期不同版本的教材，都沒有一種教材有對法拉第電磁感應定律的定量演示（或學生）實驗。而且課本對于這節知識缺乏嚴密的理論推導。也就是學生在本節學習中既缺乏嚴密的理論推導又無實驗探究。很不利于教師的教和學生的學。因此設計一個有效而直觀的實驗，讓每一位同學和老師都能夠輕松愉快的在實驗探究中理解法拉第電磁感應定律中感應電動勢與磁通量變化率的關系，這樣就讓學生很容易就突破了電磁感應現象。也就突破了高考的一個重點和難點。

2.設計思路

原型啟發：在一次改裝用銅管演示楞次定律時，受到啟發能不能用磁鐵的自由落體運動穿過線圈產生感應電動勢，而將感應電動勢與磁通量變化率的關系轉變為感應電流與物體位移的關系。

設計思路：讓磁鐵在塑料管中自由落體運動穿過線圈產生感應電流，我們就比較線圈在S.S/2.S/4三處的感應電流與物體位移的關系。這樣就讓實驗器材最簡化，實驗現象最直觀，又便于實驗操作，滿足每一位同學和老師都能進行操作，而且可以反復操作，成功率達到100%。

3.設計原理

原理：設線圈半徑r，導線電阻率為ρ，導線橫截面積為s

則：線圈中的感應電流：（外部直接接靈敏電流計并且忽略電表內阻）

由此式可看出（1）電流與實驗線圈的匝數無關，線圈的電阻率越小，線圈半徑越小，導線粗一點。感應電流越大，實驗現象越明顯。

（2）在線圈參數一定時，感應電流與磁通量變化率成正比。

磁鐵每次從高處自由下落到穿入線圈時，穿過線圈的磁通量變化率最大，此時電流表的讀數最大。我們就比較每次電表的讀數最大值。

磁鐵每次從高處自由下落到穿入線圈時，每次穿過線圈的磁通量變化量是相同的，但由于下降高度不同，磁鐵穿過線圈的速度不同，而每次磁鐵穿入線圈的位移相同而且還比較小，磁鐵在這短暫的時間內速度的變化很小，（由于安培力很小因而它的作用可以忽略）。所以磁鐵穿入線圈的時間與它的瞬時速度成反比。即磁鐵穿入線圈時的速度越大，穿過線圈的磁通量的變化越快，磁通量的變化率就越大。而磁鐵穿入線圈時的速度與位移的二分之一次方成正比，因而我們只需驗證感應電動勢（或感應電流）的大小與磁鐵位移的二分之一次方是否成正比

4.設計方案

實驗器材：鐵架臺 ?32mm塑料管線圈數字電表導線條形磁鐵

操作步驟：

（1）先將線管固定在鐵架臺上，線圈穿過線管固定在線管下端，并用重錘線檢查線管是否豎直。

（2）再連接好電流表，并將表選擇在AC200mA檔。

（3）將磁鐵多次從線管上端同一位置由靜止釋放，記下此時電流表的最大值。

（4）將線圈移至線管1/4（或1/2）處重復試驗。

（5）比較前后兩次電流表的最大讀數之比與磁鐵位移的二分之一次方的關系并得出實驗結論。

（6）整理器材。

5.實驗效果

教師直接到裝修市場買部分?32mm的線管，線圈可以用實驗室可拆變壓器的原副線圈，經過簡單制作處理即可使用，學生分小組探究，反復操作效果非常好，再把分析過程留給學生交流討論，學生直觀感受深刻，分析也非常到位。教室里面直接放在講臺上操作即可，全班同學都能很清楚的看到整個過程，效果很好。