【原】法拉第电磁感应定律定量演示实验的研制（2） ||教学实验研究

【1 实验背景】

在“法拉第电磁感应定律”一节,教科书中用“纽曼(F.ENeumann,1798—1895)、韦伯(W.E.Weber,1804—1891)在对理论和实验资料进行严格分析后”,直接得出了感应电动势与磁通量变化率成正比的规律.这样对于学生认知来讲缺少说服力.而相关资料中鲜有操作性强的定量实验.因此,对于这一节内容急需一个可操作的实验来充实课堂.

【2 设计原理】

当固定于机轴的磁铁在电机带动下转动时,闭合线圈回路中磁通量变化就会产生感应电流.由于在转动的过程中,不同的相对位置,磁场切割线圈的情况不同,即磁通量变化率不同,产生的电动势也不同;但是不论在什么转速下,磁通量变化最快的相对位置是一定的,当磁场转到此位置时,感应电动势最大.由于磁通量变化率与磁场转速成正比,而磁场转速又与电机转动周期成反比,所以我们只需研究最大感应电动势与周期倒数的关系便清楚最大感应电动势与磁通量变化率的定量关系,从而探究出法拉第电磁感应定律的定量规律.

【3 实验装置】

可控变速电机,钕磁铁,线圈,发光二极管,纽扣电池,数字传感器系统.

图1   

【4 实验步骤】

(1)组装变速电机,固定电机,调试电机保证在电机转动过程中不移位.

(2)将钕磁铁对称地固定在电机转轴上,将发光二极管分别接通纽扣电池,吸附在磁铁两极上,以方便学生观察电机转动的快慢,也增强了学生的学习兴趣与实验的可观性.

(3)将线圈竖直放置于便于操作的位置,并连接到传感器上.

(4)打开传感器,开通电机,待电机转动稳定后,开始用传感器测量感应电动势U-t的变化图像.

(5)从图像上取5个最大值,计算取平均值.记录平均电动势E和电机转动周期T.

(6)调节电机转速,记录5组以上平均电动势E和电机转动周期T.

(7)由于磁场不变,所以在每个位置的磁通量变化量是一样的,所以只需作图E-T和 关系图,便可得出法拉第电磁感应定律的定量规律.

实验结果展示,如图2(a)、(b)、(c)所示.

图2   

从实验结果来看,数据还是相当成功的,特别从线性函数的截距来看也是过原点的,是非常符合感应电动势与磁通量变化率成正比的规律的.

5 实验特点

(1)操作简单,环境要求非常低.在整个实验过程中没有特别高的细节要求.

(2)成功率高,实验现象明显易懂,生动有趣.在两个磁极上增加了发光二极管,更是增添了学生观察的兴趣.

(3)结构简单,素材普通,容易制作.本实验所用材料,都是生活中和实验室里非常常见的东西.

这些特点使得每一位教师都可以非常方便地将这个实验展示给学生;如果学校条件允许,学生也完全有能力来完成这个实验.

6 实验问题

(1)电机转速不稳,会带来一定的误差,但误差不是很大.建议制作的教师购买电机时可选择伺服电机,调速器选择非连续调节类型.

(2)磁铁具有强磁,使用过程要注意安全.

(3)该实验还是演示实验,如要推广给学生实验,在数字传感器软件使用上还是有一定的难度.

7 实验总结

总的来说,这次实验经过了许多曲折,但在不断地改进下,最后取得还不错的效果.在这个过程中,笔者也请同事、学生都积极参与进来,从他们的很多想法中得到了一些改进的方案,使得实验不断完善.

当然,这个实验也并非是探究法拉第电磁感应定律的最好方法,以及这个实验本身也存在一些不足,敬请同行指导.

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