自制法拉第电磁感应定律定量探究实验仪

刘明胜+赵亚均

摘 要：法拉第电磁感应定律课堂上很难进行定量实验。采用传感器进行探究所用装置复杂，成本较高，学生进行分组实验有困难。本文利用自由落体规律和电容器的充电等知识，结合数字电压表、二极管等简单元件让学生分组进行实验探究，操作简单，实验效果好，精准度高，深受师生青睐。

关键词：原理与装置；数据分析处理；制作与特点

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）2-0061-3

《法拉第电磁感应定律》这一节内容在高中物理教材中既是重点也是难点，不少教材对这一定律的得出也是简单描述便得出法拉第电磁感应定律。学生对这一规律的得出缺乏感性认识，更没有动手探究的机会。我们参照一些文献并进一步改进，在教学中自制“法拉第电磁感应定律定量探究实验仪。”[1-3]让学生参与探究活动，学生操作简单，实验精度高，效果好，现分享如下：

1 实验原理与装置

如图1所示，将塑玻管穿过固定的自制线圈中心，然后将强磁铁沿着塑玻管做自由落体运动穿过线圈，穿过线圈的磁通量发生改变，线圈中产生感应电动势，对电容器充电（如图2所示）。充电结束，由于二极管具有单向导电性，电容器不能通过二极管放电，此时并联在电容器两端的数字电压表可测出电容器两端的最高电压，此电压便是磁体通过线圈时产生的最大感应电动势。

（1）探究感应电动势E与匝数n间的定量关系（保持一定）

讓强磁体从同一高度自由下落，每次穿过线圈的磁通量的变化量ΔΦ相同，到达线圈的速度相同，穿过线圈所用时间Δt相同，就保持不变。改变线圈接入电路的匝数，就可以研究感应电动势E与匝数n间的定量关系。

（2）探究感应电动势E与之间的定量关系（保持匝数一定）

同一强磁体从不同高度自由下落，穿过固定线圈，每次通过线圈磁通量的变化量一样，磁体穿过线圈的时间与穿过线圈的速度有关。

让磁体从不同的高度自由下落，当下落的高度h1：h2：h3：h4：h5=1：4：9：16：25时，由自由落体运动规律可知经过线圈的瞬时速度v=，物体的末速度之比v1：v2：v3：v4：v5=1：2：3：4：5。这样，经过线圈这一很小位移所用的时间之比t1：t2：t3：t4：t5=：：：：，则：：：：=v1：v2：v3：v4：v5=1：2：3：4：5。本实验装置采用强磁体释放高度之比为9：16：25：36：49，则磁通量的变化率之比便为3：4：5：6：7。随后，研究分别从这5个高度自由下落经过线圈时产生的感应电动势与磁通量变化率间的定量关系。

2 实验数据的分析与处理

（1）探究感应电动势与匝数间的定量关系的实验数据及对应图像（保持一定）（如表1、图3所示）。

实验结论：在一定时，感应电动势的大小与线圈的匝数成正比。

（2）探究感应电动势与间的定量关系的实验数据及对应图像（保持匝数一定）（表2、图4）。

实验结论：在匝数一定时，感应电动势的大小与成正比。

该教具经过上千次实验发现，数据测量稳定，研究规律方便，能很好地研究出实验规律。

3 教具的制作

（1）按图5所示，用松木板制作40 cm ×30 cm×25 cm的长方形木箱。在区域1挖一直径为3.5 cm的小孔，在区域2中挖一8 cm×5 cm的矩形小孔。

（2）截取内径3 cm、长80 cm的塑玻管。

（3）用直径为0.15 mm的漆包线分别在直径为

3.7 cm的圆形线模上密绕400、600、800、1000、1200匝。

（4）直流数字电压表的量程为0～50 V，精度为0.1 V。

（5）二极管为普通整流二极管，耐压高于500 V。电容器选取耐压较高、容量较小的电解电容器。强磁体采用两个15 mm×6 mm的钕铁硼强磁体。

（6）按图1和图2组装器材，组装过程注意各元件焊接的可靠性和美观性。

4 教具的特点

本实验的元件简单，设计巧妙，效果很好，可见度高，易于学生操作，数据准确，有利于培养学生动手动脑的能力。本实验装置造价低廉，结构简单，易于自制和仿制，比采用传感器等复杂设备进行演示探究的方法省钱。经上千次实验证明该实验装置效果良好，稳定可靠，师生使用方便，能很好地探究出“感应电动势与线圈匝数成正比，与磁通量的变化率成正比”这一规律，不仅有利于教师进行实验演示，而且有利于学生分组进行探究活动。

参考文献：

[1]吴月江.法拉第电磁感应定律的定量探究[J].教学仪器与实验，2010（11）：14-15.

[2]王志斌，余金龙，卢定山，等.研究实验装置定量探究法拉第电磁感应定律[J].物理仪器与实验，2011，27（7）：34-36.

[3]郑刘德.法拉第电磁感应定律定量演示实验的研制[J].物理教师，2016，37（4）：23-25.

（栏目编辑 王柏庐）