法拉第电磁感应定律的实验验证设计

龙源期刊网法拉第电磁感应定律的实验验证设计作者：谭建来源：《家长·下》2018年第04期背景法拉第电磁感应定律在高中课本中只是做了定性讨论后就直接给出了法拉第电磁感应定律，而对于定律的得出，教材上并没有给出探究的方向，也没有实验方案，本文目的在于为高中教学中法拉第的实验验证提供几种可选择的、具体可行的方案。法拉第电磁感应的内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比。公式：，即；当电动势、磁通量、时间都取国际单位伏、韦伯、秒，比例常量，此时。本文目的就在于验证。提出猜想实验现象将线圈和毫安电流表相连，插入磁铁过程会看到电流表偏转，说明此时产生了感应电流；当我们反向插入磁铁时，电流表反向偏转，电流方向相反。用两根磁铁异名磁极插入时不偏转，此时磁通量始终为零；用两根磁铁同名磁级插入时，偏转越厉害，即磁通量变化越大，感应电动势越大。磁铁快速插入时偏转越厉害，电流越大，即插入时间越短，感应电动势越大。实验结论线圈中磁通量变化越大，所用时间越短，感应电动势越大。实验猜想从以上实验结论中可以看出，影响感应电动势的因素有两个：磁通量的变化量、变化磁通量所用的时间。由此我们可以提出以下假设：当磁通量变化的时间一定时，感应电动势与磁通量成正比，即一定，；龙源期刊网当磁通量的变化量一定时，感应电动势与磁通量变化的时间成反比，即一定，。当然，上诉猜想只是基于最简单原则，也有可能，，以及和三次方成正比反比。验证一定，在这一个实验中，我们要控制不变，改变。设想改变的方法可以改变磁铁插入线圈的深度，但这样就很难控制和测量改变了多少；于是，这里我们改变的方法，用一根磁铁插入线圈以及和用两根磁铁同名磁极插入线圈相同深度，以此知道后者磁通量的改变量是前者的两倍；同理，可以用三根、四根等磁铁同名磁极插入线圈相同深度，磁通量的改变量分别是第一次的三倍、四倍等。控制的方法：1.通过自由落体运动控制相同如果我們把磁铁从同一高度静止释放，磁铁落到线圈里的速度是一个确定值，由此穿过线圈的时间也是一个确定值，这种方式可以控制磁铁穿过线圈的时间。缺点：这种方式我们会发现诸多问题，比如磁体穿过线圈的时间太短，电流太大，超过量程；磁铁往往不容易掉入线圈；时间太短，电流来不及测量。2.通过以上问题存在的缺点，我们可以改良一下设计方案，将磁铁从斜面上滑下，可以缓冲重量，从而使其穿过线圈的时间延长，也能更好地滑入线圈。3.我们设计了另外一种实验方案可以很好地控制时间：如图1所示，将木棒的一端固定一根磁铁，另一端固定两根磁铁，磁极的方向如图所示；两个相同的电流表分别和两个相同的线圈相连。用手拿住木棒，缓慢插入线圈，注意：插入过程两边的磁铁速度要一致。在这个过程中，实验误差比较小。4.实验现象的观察在这个实验中，由于感应电流比较短暂，电流变化快，很难看清楚两个电流表的示数进行对比。我们有两种解决方案：（1）两组人同时来读示数，一组读表一，一组读表二，为了对比，都读最大值即可。龙源期刊网（2）可以用高速摄像机（华为手机慢动作拍摄也可）将两个电流表的示数拍摄下来，再用软件慢放，同时暂停几幅图片对比即可。5.实验结论从以上实验结果可以看出，插入两根磁铁时的电流示数是插入一根时的两倍，正好满足。为了更有说服力，我们可以再设计一个插入三根和四根磁铁的实验来对比。验证一定，在这一个实验中，我们要控制不变，改变。控制的方法用同一块磁铁穿过线圈。快速和慢速穿过线圈，磁通量的变化量是一样的，时间不一样。测量的方法实验设计方案将磁铁用支架固定在小车上，挡光片也固定在小车上，若小车不平衡则在后面加配重。如图2所示：平板上安装光电门和线圈，调整光电门和线圈的位置，使磁铁通过线圈时挡光片正好通过光电门，这样磁铁通过线圈的时间正好可以用挡光片通过光电门的时间表示出来。这里不要求磁铁厚度和挡光片相同，即不要求磁铁通过线圈的时间和挡光片通过光电门的时间相同，这是因为磁铁和挡光片的速度始终相同，若磁铁经过线圈的时间增加两倍，挡光片经过光电门的时间也必增加两倍，即磁铁经过线圈所用时间与挡光片经过光电门所用时间的比值始终是一个定值。线圈连接到微电流传感器（因电流太大，需串联一个电阻箱），光电门连接到数据采集器。Trie数字化实验系统打开实验《感应电流的测量》，单击右上角的光电门、滴定设置，选择“直线运动、独立测量”，下一步选择“档光时间、单挡光板”，下一步选上“光电门传感器、滴定传感器触发采集”，数据选“档光时间”，单击完成。增加线，X轴选“档光时间”，Y轴选“微电流”，单击增加。同时为了提高精度，采集时间选20秒，间隔选2.5毫秒。我们即可开始实验。实验过程中，小车滑动速度不宜过大，小车运动状态无要求，过光电门时尽量匀速。数据采集完成后导出实验数据即可分析。采集的感应电流有正有负，这里我们统一选用正的感应电流分析。龙源期刊网实验数据从实验数据画出—图像，可以看出大致成一条直线，即，即一定，。实验结论从以上实验我们可总结实验结论：当磁通量变化的时间一定时，感应电动势与磁通量成正比，即一定，；当磁通量的变化量一定时，感应电动势与磁通量变化的时间成反比，即一定，。我们联合起来写就是：，即法拉第电磁感应定律。