張洪明

(寧波市北侖區(qū)明港高級(jí)中學(xué) 浙江 寧波 315800)

1 問(wèn)題提出

電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是根據(jù)圖1所示的3個(gè)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析得出結(jié)論：只要穿過(guò)閉合導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流．

圖1

對(duì)于高中學(xué)生來(lái)說(shuō)，這樣的結(jié)論是建立在可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，而且在教學(xué)過(guò)程中，也一定會(huì)做這3個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．從實(shí)驗(yàn)到理論，符合認(rèn)知規(guī)律，符合高中生的認(rèn)知特點(diǎn)．而對(duì)于產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件人教版《物理·選修3-2》第4節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”的原文如下：“穿過(guò)閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，其中就有感應(yīng)電流．既然有感應(yīng)電流，電路中就一定有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．如果電路沒(méi)有閉合，這時(shí)雖然沒(méi)有感應(yīng)電流，電動(dòng)勢(shì)依然存在．”學(xué)生會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)：為什么電路沒(méi)有閉合依然有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)？用什么可以證明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在呢？

2 實(shí)驗(yàn)探究產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)條件

下面我們用3種方法來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題.

方法1：直接把斷開(kāi)電路與電壓表相連接來(lái)證明存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

分析：這種方法從理論上來(lái)講和產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件相同，是不可行的．原因如下：圖2中(a)、(b)兩幅圖形成電流原因相同,都是電路閉合和有電動(dòng)勢(shì)．而電流表和電壓表都是由靈敏電流計(jì)改裝而成,此時(shí)如圖3所示.用電壓表來(lái)直接檢驗(yàn)是否存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，當(dāng)電壓表接入以后就已經(jīng)形成了閉合回路，此方法不可行．

圖2

圖3

方法2：用陰極射線(xiàn)管兩側(cè)加上平行板電容器來(lái)探究是否存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

分析：將電源和電容器如圖4連接，此電路是斷開(kāi)的，只要電源有電動(dòng)勢(shì)，平行板之間就會(huì)電場(chǎng).也就是說(shuō)，只要存在感應(yīng)電壓，在內(nèi)部就會(huì)有感應(yīng)電場(chǎng)．如果把平行板電容器加到陰極射線(xiàn)管上下兩側(cè)，就在空間形成電場(chǎng)，使電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電路結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示.在陰極射線(xiàn)管內(nèi)部就帶有平行板電容器，如圖5(b)所示.當(dāng)在線(xiàn)圈兩端直接接在上下的接線(xiàn)柱上，當(dāng)線(xiàn)圈內(nèi)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，在射線(xiàn)管內(nèi)的上下極板上就會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),陰極射線(xiàn)就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出斷開(kāi)電路磁通量變化也會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．實(shí)際按照?qǐng)D5(c)連接電路，打開(kāi)高壓感應(yīng)圈，發(fā)現(xiàn)電子束沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)．是什么原因造成實(shí)驗(yàn)失敗呢？實(shí)驗(yàn)所用的線(xiàn)圈為1 600匝，磁體為目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室所能提供的最強(qiáng)的釹鐵硼磁鐵5塊串聯(lián)所組成，陰極射線(xiàn)正常發(fā)射沒(méi)有偏轉(zhuǎn)，分析造成實(shí)驗(yàn)失敗的原因可能有以下幾點(diǎn).

(1)斷開(kāi)電路磁通量變化有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，結(jié)論是否正確．書(shū)上結(jié)論一般情況都是正確的可以排除這個(gè)可能．

(2)可能是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)太小看不出明顯偏轉(zhuǎn)(有這個(gè)可能性).

(3)可能是產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化太快由于視覺(jué)暫留效應(yīng)無(wú)法觀察出偏轉(zhuǎn)(有這個(gè)可能性)．

存在的可能性有很多，哪種可能性最大呢？其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)太小看不出明顯偏轉(zhuǎn)可能性最大．實(shí)驗(yàn)測(cè)量產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大約為多少伏，連接電路成如圖6(a)所示，通過(guò)萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。畬⑷f(wàn)用表轉(zhuǎn)到交流12 V，實(shí)驗(yàn)過(guò)程手動(dòng)抽出和插入磁鐵產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值約為1.4 V,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6(b)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值太小了．那么，多大的電動(dòng)勢(shì)才能產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)呢？

圖4

圖5

圖6

理論分析：用刻度尺測(cè)量出偏轉(zhuǎn)電極之間距如圖7所示,約d=0.5 cm,L1=6 cm,L2=1.5 cm,L3=10.5 cm，L4=22 cm(L4為陰極與陽(yáng)極的距離)電子從左端設(shè)初速度為零,整個(gè)加速電壓約11 kV,設(shè)電子質(zhì)量為m,電荷量為e, 加速度到L1過(guò)程中加速度電壓為U1=3 kV.

圖7

由動(dòng)能定理得

在L2距離內(nèi)為偏轉(zhuǎn)，加速度電壓為U2=0.25 kV，設(shè)豎直偏轉(zhuǎn)電壓為U，如圖8.則水平方向勻加速直線(xiàn)，有

豎直方向?yàn)閯蚣铀僦本€(xiàn),有

vx=v0+axt

圖8

在L3運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，水平方向勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，有

豎直方向勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，有

y2=vyt1+y1

解得

v0=2.6×107m/s

t=1.25×10-10s

vx=2.7×107m/s

vy=2.2×104Um/s

t1=1.27×10-9s

y1=2.8×10-7Um

綜合以上數(shù)據(jù)得出

y2=2.83×10-5Um

其中U為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，讓電子偏轉(zhuǎn)距離為1 cm此時(shí)電壓約為353 V.也就是說(shuō)要想看到明顯的偏轉(zhuǎn)效果必須得到幾百伏的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，那么怎么才能獲得這么高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呢？

(1)提高線(xiàn)圈匝數(shù)，目前教學(xué)可拆變壓器用的線(xiàn)圈最高1 600匝(要想再提高只能自己手動(dòng)來(lái)繞制).

(2)提高ΔΦ=Φ2-Φ1，線(xiàn)圈面積不變只能改變磁場(chǎng)強(qiáng)度.

1)使用永磁鐵，一般高中實(shí)驗(yàn)室用的是釹鐵硼材質(zhì)，直徑2 cm，高度1 cm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T，疊加5塊最多1 T, 提高得有限;

2)使用電磁鐵是一個(gè)思路，通過(guò)提高電流來(lái)提高磁感應(yīng)強(qiáng)度B.

(3) 可以采取放大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的思想.

用什么來(lái)放大感應(yīng)電壓呢？變壓器是一個(gè)理想而實(shí)際的選擇,所以選用變壓器來(lái)研究，變壓器這個(gè)知識(shí)點(diǎn)高二學(xué)生還沒(méi)有學(xué)習(xí).如果是上課演示,需要先介紹變壓器的結(jié)構(gòu)，如圖9.介紹原線(xiàn)圈與副線(xiàn)圈，原線(xiàn)圈(左邊)輸入1 V的電壓，副線(xiàn)圈(右邊)可以得到16 V的電壓變壓比為1∶16.在我校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有6∶220的變壓器，變壓比為3∶110，可以獲得更高的電壓，我們實(shí)際連接電路如圖10所示.所用電源為高中學(xué)生電源J1202型，將原線(xiàn)圈接在交流2 V逐漸調(diào)節(jié)電壓看電子束偏轉(zhuǎn)情況,將電壓調(diào)節(jié)到交流10 V時(shí)，如圖12(a)，電子束有明顯偏轉(zhuǎn).注意本實(shí)驗(yàn)中所使用變壓器當(dāng)輸入交流電壓超過(guò)10 V以上，電源會(huì)自動(dòng)保護(hù)斷開(kāi).接通電源以后由于我們?nèi)粘Ｓ秒姙榻涣?0 Hz，頻率變化太快,此時(shí)不能直接看到電子束偏轉(zhuǎn),可以看到,當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間,電子會(huì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),因?yàn)樵谧詈笏查g電流從有變?yōu)榱悖院箅娮邮謴?fù)到原來(lái)軌跡，結(jié)果如圖12(b)，實(shí)驗(yàn)效果非常理想.

圖9

圖10

圖11

圖12

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn).

(1)可見(jiàn)度高.在課堂演示時(shí)學(xué)生看到明顯的電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)；

(2)采取了放大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的思想，由于原來(lái)直接用永磁鐵時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)太小，無(wú)法看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而采用變壓器以后把感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行放大；

(3)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本身就體現(xiàn)了一種科學(xué)探究的過(guò)程；

缺點(diǎn):不能直接用永磁鐵來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),如果想要更好的實(shí)驗(yàn)效果需要更大的變壓比的變壓器來(lái)產(chǎn)生更高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

方法3:采用示波器顯示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在.

上述陰極射線(xiàn)管顯示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方法與示波器原理相同,因此我們也可以用示波器來(lái)演示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn).原理如圖13,線(xiàn)圈為教學(xué)變壓器,參數(shù)同前.將感應(yīng)線(xiàn)圈的兩端接到示波器的YY′偏轉(zhuǎn)電極,當(dāng)拔出或者插入磁鐵的過(guò)程中，在線(xiàn)圈內(nèi)如果產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，則有偏轉(zhuǎn)電壓加在豎直方向，則示波器顯示屏上的亮點(diǎn)會(huì)在豎直方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14.左圖是插入之前，右圖是插入過(guò)程中的示波器顯示屏幕對(duì)比．

圖13

圖14

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：用永磁鐵直接插入線(xiàn)圈實(shí)驗(yàn)的靈敏度非常高，實(shí)驗(yàn)效果非常理想，所用儀器簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)．

實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)原理不夠直觀，學(xué)生需要對(duì)示波器的原理有充分的認(rèn)識(shí)，才能理解光點(diǎn)偏轉(zhuǎn)的原因是線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．

總之，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件是電路的磁通量發(fā)生變化，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在與無(wú)論電路是否閉合無(wú)關(guān)．在研究一個(gè)具體物理問(wèn)題時(shí)，我們首先要確保實(shí)驗(yàn)原理是正確的，如方法1.在用具體真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)給學(xué)生展示物理知識(shí)時(shí)，能做實(shí)驗(yàn)的要做實(shí)驗(yàn)，這樣可以保證學(xué)生有充分的表象認(rèn)知，也可以加深學(xué)生的知識(shí)記憶，方法2和方法3進(jìn)行比較，方法2原理直觀，產(chǎn)生高壓感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難點(diǎn)，方法3容易操作,實(shí)驗(yàn)效果顯著，但是原理解釋需要時(shí)間，在具體的教學(xué)過(guò)程中可以進(jìn)行選擇．