“法拉第电磁感应定律”的半定量实验介绍

张国栋 王月

(哈尔滨师范大学附属中学 黑龙江 哈尔滨 150080)(黑龙江省实验中学 黑龙江 哈尔滨 150001)

1 器材介绍

图1为实验装置图.器材包括羽毛球线(未展示，用来拴着木棒)、木棒、两片强磁铁、有机玻璃管、标尺、乐扣盒、衬底、工字轴、漆包线、铜接线柱、微安表、导线.接下来挑重点进行介绍.

图1 实验装置

(1)强磁铁：如图2所示，共两片，直径为20 mm，厚度为3 mm，表面磁场约130 mT.

图2 强磁铁

(2)有机玻璃管：如图3所示，内径22 mm，外径26 mm，高度700 mm，标尺来自广告印刷社.管子的底部打有小孔(未展示)，有利于磁铁下方压缩空气的排出.

图3 有机玻璃管

(3)盒子、衬底与螺丝：如图4所示，正方形乐扣盒，底边长12 cm，可恰好将除了管子以外的所有实验装置放入盒中，既是实验仪器，又是储物盒.盒盖中心用开孔器开孔，孔径28 mm.衬底为三层KT板，最上面一层打孔.这样既可以帮助管子保持直立，又对下落的磁铁起到缓冲作用.螺丝均为铜制，防止磁铁与铁质螺丝相互吸引影响实验的效果.

图4 盒子、衬底与螺丝

(4)工字轴：如图5所示，用来做线圈骨架，高26 mm,内径28 mm.

图5 工字轴

(5)色环电阻：47 Ω，连接到接线柱“N”处.

(6)线圈：如图6所示，用直径0.17 mm漆包线绕制而成，接线柱“O，N”之间电阻约47 Ω，共550匝(一方面不会由于匝数过少导致微安表示数过小，另一方面色环电阻阻值不能随意选择，550圈阻值正好与其相当).接线柱“O,2N”之间电阻约100 Ω(每一匝线圈长度增加，导致“O,2N”之间电阻不是“O，N”之间电阻的2倍)，共1 100匝.

(7)二极管：本装置用的是稳压二极管，与接线柱“O”串联，用以消除反向电流.

(8)微安表：型号J0415，量程200 μA，分度值5 μA，内阻440 Ω.

2 实验原理

(1)串联二极管的必要性.如图7所示，实验中磁铁下落较快，线圈又比较短，所以在极短的时间内正向与反向电流交替产生，当正向电流使指针偏转的力矩还没有累积到足够的时间时，反向力矩就阻碍了线圈的继续偏转，导致根本无法实现半定量关系.二极管可以有效消除反相电流的影响，实验效果大为改观.

图7

(2)如何保证不同匝数线圈总电阻相等.本实验通过微安表示数的倍数关系间接推断电动势的倍数关系，但前提是回路总电阻不变.如图7所示，作者在接线柱N处串联色环电阻，电阻与环形回路连接，当接线柱O与2N接入电路时，色环电阻在电路之外，保证了匝数不同的线圈具有相同的阻值.

(3)如何改变ΔΦ：如图7所示，设一片磁铁通过线圈磁通量变化为ΔΦ，则两片相同规格的磁铁通过线圈磁通量变化为2ΔΦ.

图8 探究E与Δt关系示意图

3 关于实验准确性的讨论

影响本实验准确性的主要原因有三：磁铁规格、微安表灵敏度、阻力.

(1)如图9所示，通过高斯计的实际测量发现，即使两片磁铁表面磁场都约为110 mT，但当把它们吸到一起之后表面磁场却不是220 mT，无法完全做到2倍关系.

(a)一片磁铁的表面磁场

(b)两片磁铁吸到一起后的表面磁场

(2)当微安表示数太小时，指针的惯性成为影响精度的主要来源，瞬间的冲击电流不足以使指针偏转到理想的效果，半定量关系很差.当微安表示数太大时，指针迅速偏转，与游丝的力矩平衡被严重破坏，半定量关系也很差.由于微安表灵敏度的限制，所以本实验无法进行N匝线圈与一片磁铁(电流太小)，2N匝线圈与两片磁铁(电流太大)两组实验.但N匝线圈与两片磁铁，2N匝线圈与一片磁铁的实验效果理想，且两种情况下N与ΔΦ的乘积保持不变，可以将整体作为一个影响因素进行控制.此外，冲击电流变化极快，需要多次实验反复观察极大值.

(3)阻力主要来自两方面：磁铁木棒与管壁、被压缩的空气.磁铁与管壁的摩擦难以避免，管径太大又会导致磁铁翻转，且感应电流过小的问题.在管子下方侧壁打孔可以尽量减少压缩空气造成的阻力.

4 实验操作与数据

鉴于器材的限制，本实验只做4组.

(1)连接接线柱“O,N”，让2片磁铁从10 cm处自由下落，记录微安表的极大值.

(2)连接接线柱“O,N”，让2片磁铁从40 cm处自由下落，记录微安表的极大值.

(3)连接接线柱“O,2N”，让1片磁铁从10 cm处自由下落，记录微安表的极大值.

(4)连接接线柱“O,2N”，让1片磁铁从40 cm处自由下落，记录微安表的极大值.

表1是分组实验中出现最多的一组数据.

表1 分组实验中出现最多的一组数据

虽然有诸多器材与方法的限制，但经公开课检验，本实验半定量程度较好，适合学生分组探究，有效地补充了现有的教学手段.该实验装置已经申请了实用新型专利，专利号DD03416.