一道高考試題的實驗探究

浙江省奉化中學(315500) 吳齊全

1 問題的來源

題目：用如圖1所示的裝置做“探究感應電流方向的規律”實驗，磁體從靠近線圈的上方靜止下落。在磁體穿過整個線圈的過程中，傳感器顯示的電流i隨時間t的圖像應該是( )。

圖1 題目裝置

試題解析：這是一道浙江省高考試題，以“探究感應電流方向的規律”實驗為基礎，延伸拓展到分析電流大小和方向，對學生的綜合分析能力提出了很高的要求，是一道難得考察實驗的好題。根據法拉第電磁感應定律，小磁鐵在線圈上端的時候速度小，磁通量變化慢，對應的感應電流小，在線圈中間的時候，磁通量幾乎保持不變，電流為零，在線圈下端時，速度大，磁通量變化快，對應的感應電流大，再根據楞次定律，不難得到正確的答案是A。這樣的分析當然沒有錯，但不少學生可能和我一樣有一種想法，實驗結果真的如此嗎？命題老師是通過理論分析得到的結果還是通過真實實驗得到的結果呢？帶著疑問和困惑，和4位高三學生一起，開啟了一次探究之旅。

2 實驗探究過程

(1)第1次嘗試：走進學校數字化實驗室，利用 朗威DISLab電流傳感器，找到“探究感應電流方向的規律”中的線圈，按照試題中圖1連接電路，打開電腦，把條型磁鐵從線圈上方一定高度靜止釋放，得到的結果如圖2所示。采樣頻率為5 kHz，電流大小范圍-200 mA～200 mA。

圖2 第1次嘗試實驗結果

實驗的結果出乎意料，與試題中A答案對比，發現差距還是很大。電流形狀類似正弦交流電，曲線也比較圓滑，電流為零值是一個點，而不是試題當中的一段區域，電流的正負最大值區別也不是很明顯。為什么會是這個結果呢？經過學生們的討論分析，大家一致認為是線圈太短了，磁鐵穿過線圈的時間非常短，直接影響了結果。

(2)第2次嘗試：這時有一個學生提議，用2個相同的線圈疊加在一起，線圈長了，結果應該接近真實，如圖3所示。連接好電路，采樣頻率、電流大小都沒有改變，得到結果如圖4所示。

圖3 兩個相同的線圈疊加

圖4 第2次嘗試實驗結果

這個結果更加令我們大跌眼鏡。我們經過思考討論和認真分析，主要有兩個問題：①電流開始是負的，后來是正的。形成的原因是磁鐵釋放時，N極和S極無意間互換了。②圖像呈現跌宕起伏的變化。兩個線圈疊加在一起，長度確實變長了，但中間形成了一段沒有線圈的“真空”區域，正是因為沒有線圈的“真空”區域，導致磁通量變化跌宕起伏。

探究的結果變化莫測，反而激起了學生們追求真理的決心。要想得到理想的實驗結果，首先必須找到一個合適的線圈。

(3)第3次嘗試：我們找到實驗員老師，詢問有沒有很長的線圈，得到沒有的答復后，決定自制一個線圈。實驗室沒有漆包線，只能自己動手把通電導線繞制成長長的線圈，在繞制過程中，因為外面有塑料皮，根本無法固定。于是選擇一根較長的空心絕緣管，在其外層繞上線圈，同時用502膠水進行固定，最后大家齊心協力制成的線圈如圖5所示。

圖5 自制線圈

連接電路，采樣頻率設置為5 kHz，電流的大小-2 A～2 A(采樣電流變大了，因為高度高了，速度大了，感應電流也變大了)。得到的實驗結果如圖6所示，與試題的答案A符合得非常完美。

圖6 第3次嘗試實驗結果

3 總結和反思

在實驗過程中，我們使用了3種磁體，如圖7所示。條型磁鐵太長，需要的線圈非常長，這時自制線圈就不好操作了。強磁體的磁性太強，我們在釋放的時候，居然會被鐵架臺吸引，導致無法下落；同時強磁體太小了，在釋放的過程中會在空中翻滾，導致實驗結果也很奇怪。最好是兩頭尖的橢球型磁體，長度適中，釋放的時候也不會翻轉，而且阻力小，上面數據都是用這個磁體采樣的。

圖7 磁體

我們采集了非常多的數據，在對數據分析的過程中，發現每次最大電流的數值都不一樣，這是因為釋放的高度不同，速度不同，磁通量變化率不同。仔細觀察圖5線圈，上面有一段預留的管道，就是為了控制每次從同一點釋放，解決電流最大值不同的問題。

自制的線圈特別的長，最后電流采樣是用-2A～2A，比開始的時候大了10倍，有學生提議，可以參照伽利略斜面實驗，把線圈傾斜，減小磁體下落的速度，采樣電流減小，最后的實驗結果也證實了這一想法。

實驗最終的結果令人滿意，過程的曲折恰恰體現了科學探究的結果具有不確定性，探究花費大概3節課的時間，但是這個時間花得非常的值得，我們感受到探究的快樂，真實體會到科學研究的不易。