摘 要：法拉第電磁感應(yīng)定律作為高中物理選擇性必修2中“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題的重要內(nèi)容，充分理解和掌握該定律對(duì)于學(xué)生學(xué)好電磁學(xué)并應(yīng)用其原理解決實(shí)際問(wèn)題具有重要意義。對(duì)于法拉第電磁感應(yīng)定律，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教具存在一些局限，大多以定性觀(guān)察為主，定量探究的實(shí)驗(yàn)教具較少。針對(duì)現(xiàn)有教具的不足，在兼顧定性實(shí)驗(yàn)演示效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了定量探究實(shí)驗(yàn)教具創(chuàng)新，創(chuàng)新教具結(jié)構(gòu)新穎、制作簡(jiǎn)單、操作方便、演示效果好，學(xué)生容易理解，測(cè)量精度高，能很好地通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究分析推導(dǎo)出法拉第電磁感應(yīng)定律公式，可幫助學(xué)生更好地理解該定律。

關(guān)鍵詞：法拉第電磁感應(yīng)定律；定量探究；教具；創(chuàng)新

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）7-0060-4

法拉第電磁感應(yīng)定律作為高中物理電磁學(xué)模塊的基礎(chǔ)定律之一，如何使學(xué)生清晰理解和掌握該定律是其作為規(guī)律教學(xué)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用廣泛。該定律描述了當(dāng)閉合線(xiàn)圈中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線(xiàn)圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，應(yīng)用該定律能很好地幫助學(xué)生理解和掌握電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器和感應(yīng)線(xiàn)圈等電氣設(shè)備的工作原理。由于法拉第電磁感應(yīng)定律比較抽象，所以學(xué)生掌握起來(lái)有一定困難。為了在高中物理教學(xué)中幫助學(xué)生深入理解法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行探究以幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)。為此，本文對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行了創(chuàng)新，創(chuàng)新教具將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)有機(jī)融合，既克服了傳統(tǒng)教具的不足，又能進(jìn)行很好地演示和定量探究，這樣可以幫助學(xué)生直觀(guān)地理解法拉第電磁感應(yīng)定律，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析歸納得出法拉第電磁感應(yīng)定律公式，不用進(jìn)行復(fù)雜抽象的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。這樣，學(xué)生就能更好地理解和應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，創(chuàng)新教具也在促進(jìn)學(xué)生自主動(dòng)手探究能力和養(yǎng)成創(chuàng)新精神方面起到重要幫助。

1 教材實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)與局限

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：要通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解法拉第電磁感應(yīng)定律［1］。人教版2019年版教材選擇性必修2的第2章第2節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”中展示了兩種實(shí)驗(yàn)的方式，這兩種方式雖然在電磁感應(yīng)的基本原理展示上對(duì)學(xué)生有所幫助，但在提供深入理解和應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律方面存在一定局限。圖1所示的教材演示實(shí)驗(yàn)，旨在闡釋磁場(chǎng)變化如何引發(fā)感應(yīng)電流產(chǎn)生［2］。該演示教具簡(jiǎn)單、直觀(guān)，實(shí)驗(yàn)器材獲得容易。不足在于該實(shí)驗(yàn)只能定性觀(guān)察，不能定量探究，限制了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的深入分析。圖2所示為教材“做一做”部分的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)不再單純是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的定性觀(guān)察，旨在通過(guò)分別改變線(xiàn)圈匝數(shù)、磁體強(qiáng)度等因素，探究其與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小之間的關(guān)系，最終得出定性結(jié)論［2］。該實(shí)驗(yàn)裝置看似簡(jiǎn)單，但操作較為困難，磁鐵從管中下落只穿過(guò)線(xiàn)圈一次，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也只有一組，且測(cè)量誤差較大，學(xué)生從該實(shí)驗(yàn)裝置中也觀(guān)察不到線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況，教具演示效果不好。

2 法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究實(shí)驗(yàn)教具創(chuàng)新

創(chuàng)新的法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析演示儀如圖3所示，儀器底座由電工木板粘接而成，底座上水平安裝一個(gè)曲柄滑桿機(jī)構(gòu)，曲柄滑桿可從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)，滑桿的最大行程可達(dá)15 cm，曲柄滑桿機(jī)構(gòu)由調(diào)速直流電機(jī)帶動(dòng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)工作電壓改變滑桿移動(dòng)的速度。曲柄滑桿的前端有螺桿用于安裝圓柱形磁鐵，各型號(hào)的磁鐵直徑如圖4所示。各磁鐵均安裝在同一規(guī)格的有機(jī)玻璃管中，通過(guò)有機(jī)玻璃管底部中心位置粘接的螺母可非常方便地將不同規(guī)格的磁鐵安裝在滑桿前端的絲桿上。在圓柱形磁鐵左右水平移動(dòng)中心線(xiàn)上安裝中心高相同的帶有不同抽頭的多匝線(xiàn)圈，裝有磁鐵的有機(jī)玻璃管可在線(xiàn)圈中心的有機(jī)玻璃管中左右來(lái)回穿梭，線(xiàn)圈的幾個(gè)抽頭固定在底座上，線(xiàn)圈與紅綠兩種演示用的發(fā)光二極管連接線(xiàn)路如圖5所示，當(dāng)線(xiàn)圈中產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)后就可使兩種演示的發(fā)光二極管交替發(fā)光。這樣的設(shè)計(jì)就可以通過(guò)改變電機(jī)工作電壓改變磁鐵在線(xiàn)圈中移動(dòng)的速度，改變磁鐵直徑大小就可以改變穿過(guò)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強(qiáng)弱進(jìn)而改變線(xiàn)圈中的磁通量，改變線(xiàn)圈的抽頭接線(xiàn)就可以改變線(xiàn)圈的匝數(shù)，進(jìn)而探究線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與這幾個(gè)物理量之間的定量關(guān)系，通過(guò)觀(guān)察發(fā)光二極管的顏色和亮度可以觀(guān)察到線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和方向的變化。線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小由朗威電壓傳感器展示，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高。創(chuàng)新教具旨在為學(xué)生提供一個(gè)教具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高、演示現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)探究裝置。教具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、美觀(guān)，能充分激發(fā)學(xué)生的求知欲和實(shí)驗(yàn)探究熱情，能很好地幫助學(xué)生深入理解法拉第電磁感應(yīng)定律，并通過(guò)定量分析歸納得出法拉第電磁感應(yīng)定律公式E=n·ΔΦ/Δt［3］。

該教具既可以讓學(xué)生通過(guò)觀(guān)察紅綠兩種顏色發(fā)光二極管的發(fā)光情況和亮度變化看到法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，還可以通過(guò)控制變量法分別定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與線(xiàn)圈匝數(shù)、磁體強(qiáng)度和磁鐵穿過(guò)線(xiàn)圈的速度之間的關(guān)系，創(chuàng)新教具更有助于加深學(xué)生對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律公式的理解，達(dá)到幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的目的。

3 定性演示法拉第電磁感應(yīng)定律

接通電源，保持磁鐵大小、線(xiàn)圈匝數(shù)不變，通過(guò)調(diào)節(jié)直流調(diào)速電機(jī)的工作電壓改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，學(xué)生可以明晰地觀(guān)察到電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，磁鐵穿過(guò)線(xiàn)圈的時(shí)間越短，二極管的發(fā)光越強(qiáng)；保持電機(jī)轉(zhuǎn)速、線(xiàn)圈匝數(shù)一定，改變穿過(guò)線(xiàn)圈磁鐵的大小，學(xué)生可以明晰地觀(guān)察到磁鐵直徑越大，二極管發(fā)光越強(qiáng)；在電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鐵大小一定的情況下，線(xiàn)圈匝數(shù)越多，二極管發(fā)光越強(qiáng)。通過(guò)定性演示，學(xué)生可以初步認(rèn)識(shí)到線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與n、ΔΦ、Δt之間的定性關(guān)系，激發(fā)學(xué)生定量探究線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與n、ΔΦ、Δt之間定量關(guān)系的熱情。

4 探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與n、ΔΦ、Δt之間的定量關(guān)系

4.1 保持ΔΦ、Δt不變，改變線(xiàn)圈匝數(shù)n，探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與n之間的定量關(guān)系

保證直流電機(jī)的工作電壓為10 V，選擇直徑為30 mm的磁鐵安裝在滑塊前端，依次改變線(xiàn)圈的匝數(shù)（1000、1500、2000、2500、3000）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)電壓傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖6所示。通過(guò)觀(guān)察電壓隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，學(xué)生可以清晰地觀(guān)察到，當(dāng)保持ΔΦ、Δt不變，改變線(xiàn)圈匝數(shù)n時(shí)，線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E變化情況會(huì)不同。分析采樣結(jié)果表明，線(xiàn)圈匝數(shù)越多，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值也越高。這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可讓學(xué)生直觀(guān)地感受到，當(dāng)ΔΦ、Δt不變，線(xiàn)圈匝數(shù)n增大，線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E也隨之增大，通過(guò)表1測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可充分說(shuō)明法拉第電磁感應(yīng)定律中線(xiàn)圈匝數(shù)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的關(guān)聯(lián)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)作E與n關(guān)系圖，圖像如圖7所示，從圖中可以看出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與感應(yīng)線(xiàn)圈的匝數(shù)n成正比。

4.2 保持n、Δt不變，通過(guò)改變磁鐵直徑改變?chǔ)う担骄扛袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)E與ΔΦ之間的定量關(guān)系

保持電機(jī)工作電壓為10 V，線(xiàn)圈匝數(shù)為3000匝，在滑桿的前端分別安裝直徑為20 mm、25 mm、30 mm、40 mm的強(qiáng)磁鐵，通過(guò)改變穿過(guò)線(xiàn)圈磁鐵直徑的大小，可探究穿過(guò)線(xiàn)圈中的磁通量變化與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系。通過(guò)改變磁鐵直徑d的大小，測(cè)得的線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)表明，磁鐵直徑d越大，線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E也隨之增大。通過(guò)表2測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可充分說(shuō)明法拉第電磁感應(yīng)定律中穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的關(guān)聯(lián)。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)作E與d關(guān)系圖，圖像如圖9所示，從圖中可以看出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與穿過(guò)線(xiàn)圈磁鐵的直徑d成正比，由于ΔΦ=ΔB·S，也間接表明E與ΔΦ成正比。

4.3 保持n、d不變，改變電機(jī)工作電壓，探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與1/Δt之間的定量關(guān)系

保持線(xiàn)圈匝數(shù)n（3000匝）、磁鐵直徑d（30 mm）不變，通過(guò)改變電源的大小調(diào)節(jié)磁鐵穿過(guò)線(xiàn)圈的速度以改變1/Δt的大小，將電機(jī)的工作電壓分別調(diào)為6 V、8 V、10 V、12 V、14 V，定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與1/Δt的關(guān)系，通過(guò)傳感器測(cè)得線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖10所示。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，隨著電機(jī)工作電壓的增大，磁鐵在線(xiàn)圈中穿梭的速度越快，線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。通過(guò)表3測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可充分說(shuō)明法拉第電磁感應(yīng)定律中線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小E與1/Δt正相關(guān)。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)作E與U關(guān)系圖，圖像如圖11所示，從圖中可以看出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與曲柄滑桿機(jī)構(gòu)電機(jī)的工作電壓U成正比。

綜上，通過(guò)控制變量法進(jìn)行定量探究可推導(dǎo)得出閉合線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線(xiàn)圈匝數(shù)、磁通量的變化量以及磁鐵穿過(guò)線(xiàn)圈的時(shí)間之間的關(guān)系，即E=n·ΔΦ/Δt。

5 結(jié)束語(yǔ)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，離開(kāi)了物理實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)就不能得到發(fā)展，相應(yīng)的物理教學(xué)如果不能充分利用實(shí)驗(yàn)開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生就不能很好地理解和掌握所學(xué)知識(shí)，也難以促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。因此，在中學(xué)物理教學(xué)中，應(yīng)重視實(shí)驗(yàn)這一環(huán)節(jié)。但是，從當(dāng)前的現(xiàn)狀來(lái)看，由于實(shí)驗(yàn)教具匱乏，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具少，實(shí)驗(yàn)仍然是中學(xué)物理教學(xué)一個(gè)很薄弱的環(huán)節(jié)。如果教師能利用一些易于獲取的材料做一些有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)教具來(lái)開(kāi)展物理教學(xué)，這樣就會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得物理就在身邊，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情。創(chuàng)新的法拉第電磁感應(yīng)定律定量分析演示儀克服了教材和現(xiàn)有一些教具的不足，創(chuàng)新教具結(jié)構(gòu)新穎、制作簡(jiǎn)單、操作方便、演示效果好，學(xué)生容易理解，測(cè)量精度高，能很好地通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究分析推導(dǎo)出法拉第電磁感應(yīng)定律公式，可幫助學(xué)生更好地理解該定律，同時(shí)該創(chuàng)新教具在促進(jìn)學(xué)生自主動(dòng)手探究能力和養(yǎng)成創(chuàng)新精神方面也起到重要幫助作用，值得在中學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)中推廣。

參考文獻(xiàn)：

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