李娜娜

摘要：法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的重要內(nèi)容，也是中學(xué)物理教材的重要內(nèi)容，人教版“法拉第電磁感應(yīng)定律”是一節(jié)物理規(guī)律新授課，但教材中并沒有展開規(guī)律的探究過程。本文通過改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)裝置，利用小車拖動(dòng)磁鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，用靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)的定量研究。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);磁通量的變化量

人教版教材選修3-2第四章“電磁感應(yīng)”章節(jié)中“法拉第電磁感應(yīng)定律”一節(jié)中，關(guān)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化的關(guān)系課本是這樣給出的：“紐曼、韋伯在對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行嚴(yán)格分析后，于1845年和1846年先后指出：閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，后人稱之為法拉第電磁感應(yīng)定律。”教材并沒有給出“成正比”這一量化結(jié)論的實(shí)驗(yàn)研究過程。

在通常上課時(shí)，一般都會(huì)通過圖1的演示實(shí)驗(yàn)得出：在向線圈中插入或者拔出條形磁鐵的實(shí)驗(yàn)中，磁鐵的磁場越強(qiáng)、插入和拔出的速度越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電流就越大。但是使用頻率非常高的演示實(shí)驗(yàn)也沒能反映出“成正比”的定量關(guān)系。那么有沒有一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)方案可以在課堂上演示并進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

1.實(shí)驗(yàn)器材

一端帶有滑輪的木板（木板有刻度標(biāo)志）、小車、鉤碼、砝碼、1根條形磁鐵、靈敏電流計(jì)、導(dǎo)線若干、線圈

2.實(shí)驗(yàn)原理

線圈與靈敏電流計(jì)組成回路，回路中磁通量變化就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。小車帶動(dòng)磁鐵運(yùn)動(dòng)，每次實(shí)驗(yàn)中，小車經(jīng)過同一個(gè)位置時(shí)，磁通量變化量相同。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，線圈與靈敏電流計(jì)連接，用靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，用小車運(yùn)動(dòng)的快慢表示將條形磁鐵從線度拔出的時(shí)間長短。小車由木板同一位置靜止開始加速，根據(jù)v2=2as，小車每次經(jīng)過木板的相同位置時(shí)，磁通量變化相同，而此時(shí)如果能夠保證小車的加速度a1=4a2，則通過該位置的速度關(guān)系v2=2v1，對(duì)比此時(shí)靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)，得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量的變化率成正比，即。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1：將長木板不帶滑輪一端墊高，調(diào)節(jié)高度，使小車能在木板上做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

步驟2：按照?qǐng)D2安裝好實(shí)驗(yàn)裝置。在小車上裝固定好條形磁鐵，保持小車、條形磁鐵和鉤碼總質(zhì)量不變，用5g的鉤碼拉動(dòng)小車，使小車由靠近線圈位置由靜止釋放，記錄小車通過木板刻度為40的位置時(shí)靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)（如圖3）。

步驟3：保持小車、條形磁鐵和鉤碼總質(zhì)量不變，分別用20g、45g鉤碼拉動(dòng)小車，使小車由靠近線圈位置由靜止釋放，記錄每次小車通過木板刻度為40的位置時(shí)靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)（如圖4、圖5）。

由圖可以看出，三次實(shí)驗(yàn)中小車的加速度之比為1：2：3，三次靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)約為2格、4格、6格，比值也為1：2：3，可以認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小E與磁通量的變化率成正比，即.

4.實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)儀器簡單易得，都是實(shí)驗(yàn)室中做常見的儀器，普通實(shí)驗(yàn)室都可以找到所用的實(shí)驗(yàn)器材。

（2）操作簡單，平衡摩擦力的實(shí)驗(yàn)在牛頓第二定律中學(xué)生做過分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠獲得合作的體驗(yàn)和成功的體驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了，增加學(xué)生觀察興趣。

5.實(shí)驗(yàn)問題

（1）實(shí)驗(yàn)中保持小車、條形磁鐵和鉤碼總質(zhì)量不變，通過鉤碼的重力計(jì)算磁鐵運(yùn)動(dòng)的快慢。這就要求實(shí)驗(yàn)之前一定要做好平衡摩擦力，才能保證m兌a=mg。

（2）由于小車運(yùn)動(dòng)比較快，整個(gè)運(yùn)動(dòng)在1s左右，靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)記錄容易出現(xiàn)誤差。

6.實(shí)驗(yàn)總結(jié)

總的來說，利用這個(gè)裝置的定量實(shí)驗(yàn)可以粗略的定量研究，實(shí)驗(yàn)要求相對(duì)較低，適合在課堂上做演示實(shí)驗(yàn)甚至開展分組實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，相對(duì)而言這種定量研究還是比較粗糙的，更加精確的定量研究可以利用示波器或者數(shù)字傳感器來演示。