张洪明
(宁波市北仑区明港高级中学 浙江 宁波 315800)
电磁感应现象中产生感应电流的条件是根据图1所示的3个实验,经过分析得出结论:只要穿过闭合导体的磁通量发生变化,闭合导体回路中就有感应电流.
图1
对于高中学生来说,这样的结论是建立在可靠的实验基础上,而且在教学过程中,也一定会做这3个实验来探究产生感应电流的条件.从实验到理论,符合认知规律,符合高中生的认知特点.而对于产生感应电动势的条件人教版《物理·选修3-2》第4节“法拉第电磁感应定律”的原文如下:“穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,其中就有感应电流.既然有感应电流,电路中就一定有感应电动势.如果电路没有闭合,这时虽然没有感应电流,电动势依然存在.”学生会产生这样的疑问:为什么电路没有闭合依然有感应电动势?用什么可以证明感应电动势的存在呢?
下面我们用3种方法来研究这个问题.
方法1:直接把断开电路与电压表相连接来证明存在感应电动势.
分析:这种方法从理论上来讲和产生感应电流的条件相同,是不可行的.原因如下:图2中(a)、(b)两幅图形成电流原因相同,都是电路闭合和有电动势.而电流表和电压表都是由灵敏电流计改装而成,此时如图3所示.用电压表来直接检验是否存在感应电动势时,当电压表接入以后就已经形成了闭合回路,此方法不可行.
图2
图3
方法2:用阴极射线管两侧加上平行板电容器来探究是否存在感应电动势.
分析:将电源和电容器如图4连接,此电路是断开的,只要电源有电动势,平行板之间就会电场.也就是说,只要存在感应电压,在内部就会有感应电场.如果把平行板电容器加到阴极射线管上下两侧,就在空间形成电场,使电子发生偏转,电路结构如图5(a)所示.在阴极射线管内部就带有平行板电容器,如图5(b)所示.当在线圈两端直接接在上下的接线柱上,当线圈内形成感应电动势时,在射线管内的上下极板上就会有感应电动势,如果存在感应电动势,阴极射线就会发生偏转,显示出断开电路磁通量变化也会有感应电动势.实际按照图5(c)连接电路,打开高压感应圈,发现电子束没有发生偏转.是什么原因造成实验失败呢?实验所用的线圈为1 600匝,磁体为目前中学实验室所能提供的最强的钕铁硼磁铁5块串联所组成,阴极射线正常发射没有偏转,分析造成实验失败的原因可能有以下几点.
(1)断开电路磁通量变化有感应电动势,结论是否正确.书上结论一般情况都是正确的可以排除这个可能.
(2)可能是感应电动势太小看不出明显偏转(有这个可能性).
(3)可能是产生的感应电动势变化太快由于视觉暂留效应无法观察出偏转(有这个可能性).
存在的可能性有很多,哪种可能性最大呢?其中感应电动势太小看不出明显偏转可能性最大.实验测量产生的感应电动势大约为多少伏,连接电路成如图6(a)所示,通过万用表来测量感应电动势的大小.将万用表转到交流12 V,实验过程手动抽出和插入磁铁产生的感应电动势最大值约为1.4 V,实验结果如图6(b),产生的感应电动势的最大值太小了.那么,多大的电动势才能产生明显的偏转呢?
图4
图5
图6
理论分析:用刻度尺测量出偏转电极之间距如图7所示,约d=0.5 cm,L1=6 cm,L2=1.5 cm,L3=10.5 cm,L4=22 cm(L4为阴极与阳极的距离)电子从左端设初速度为零,整个加速电压约11 kV,设电子质量为m,电荷量为e, 加速度到L1过程中加速度电压为U1=3 kV.
图7
由动能定理得
在L2距离内为偏转,加速度电压为U2=0.25 kV,设竖直偏转电压为U,如图8.则水平方向匀加速直线,有
竖直方向为匀加速直线,有
vx=v0+axt
图8
在L3运动过程中,水平方向匀加速直线运动,有
竖直方向匀速直线运动,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
综合以上数据得出
y2=2.83×10-5Um
其中U为感应电动势,让电子偏转距离为1 cm此时电压约为353 V.也就是说要想看到明显的偏转效果必须得到几百伏的感应电动势,那么怎么才能获得这么高的感应电动势呢?
(1)提高线圈匝数,目前教学可拆变压器用的线圈最高1 600匝(要想再提高只能自己手动来绕制).
(2)提高ΔΦ=Φ2-Φ1,线圈面积不变只能改变磁场强度.
1)使用永磁铁,一般高中实验室用的是钕铁硼材质,直径2 cm,高度1 cm,磁感应强度为0.2 T,叠加5块最多1 T, 提高得有限;
2)使用电磁铁是一个思路,通过提高电流来提高磁感应强度B.
(3) 可以采取放大感应电动势的思想.
用什么来放大感应电压呢?变压器是一个理想而实际的选择,所以选用变压器来研究,变压器这个知识点高二学生还没有学习.如果是上课演示,需要先介绍变压器的结构,如图9.介绍原线圈与副线圈,原线圈(左边)输入1 V的电压,副线圈(右边)可以得到16 V的电压变压比为1∶16.在我校实验室内有6∶220的变压器,变压比为3∶110,可以获得更高的电压,我们实际连接电路如图10所示.所用电源为高中学生电源J1202型,将原线圈接在交流2 V逐渐调节电压看电子束偏转情况,将电压调节到交流10 V时,如图12(a),电子束有明显偏转.注意本实验中所使用变压器当输入交流电压超过10 V以上,电源会自动保护断开.接通电源以后由于我们日常用电为交流50 Hz,频率变化太快,此时不能直接看到电子束偏转,可以看到,当断开开关瞬间,电子会发生明显偏转,因为在最后瞬间电流从有变为零,以后电子束恢复到原来轨迹,结果如图12(b),实验效果非常理想.
图9
图10
图11
图12
本实验的优点有以下几点.
(1)可见度高.在课堂演示时学生看到明显的电子束发生偏转;
(2)采取了放大感应电动势的思想,由于原来直接用永磁铁时感应电动势太小,无法看到实验结果,而采用变压器以后把感应电动势进行放大;
(3)整个实验的设计过程中,本身就体现了一种科学探究的过程;
缺点:不能直接用永磁铁来产生感应电动势,如果想要更好的实验效果需要更大的变压比的变压器来产生更高的感应电动势.
方法3:采用示波器显示感应电动势的存在.
上述阴极射线管显示感应电动势的方法与示波器原理相同,因此我们也可以用示波器来演示感应电动势实验.原理如图13,线圈为教学变压器,参数同前.将感应线圈的两端接到示波器的YY′偏转电极,当拔出或者插入磁铁的过程中,在线圈内如果产生感应电动势,则有偏转电压加在竖直方向,则示波器显示屏上的亮点会在竖直方向发生偏转.实验结果如图14.左图是插入之前,右图是插入过程中的示波器显示屏幕对比.
图13
图14
实验优点:用永磁铁直接插入线圈实验的灵敏度非常高,实验效果非常理想,所用仪器简单,可操作性强.
实验缺点:实验原理不够直观,学生需要对示波器的原理有充分的认识,才能理解光点偏转的原因是线圈内产生了感应电动势.
总之,产生感应电动势的条件是电路的磁通量发生变化,感应电动势的存在与无论电路是否闭合无关.在研究一个具体物理问题时,我们首先要确保实验原理是正确的,如方法1.在用具体真实的实验来给学生展示物理知识时,能做实验的要做实验,这样可以保证学生有充分的表象认知,也可以加深学生的知识记忆,方法2和方法3进行比较,方法2原理直观,产生高压感应电动势是难点,方法3容易操作,实验效果显著,但是原理解释需要时间,在具体的教学过程中可以进行选择.