定量研究感应电动势与磁通量变化率的关系法拉第电

1、定量研究感应电动势与磁通量变化率的关系法拉第电磁感应定律宁夏银川高级中学 高翔 田雯 王新宁 750004自1820年奥斯特发现了电流的磁效应，人类就开始设想：磁能生电吗？为了这个设想，法拉第花了十年的时间进行艰苦探寻，终于发现了磁生电的奥秘穿过闭合电路的磁通量发生变化。此后一些科学家应用数学推理的方法，得出了闭合电路中产生的感应电动势和磁通量的变化率成正比。我们过去在教、学法拉第电磁感应定律时，多采用定性实验，让学生观察到磁通量变化快，产生感应电动势大；磁通量变化慢，产生感应电动势小。我国自二十世纪八十年代开始设计实验，应用实验来定量验证法拉第电磁感应定律。设计中主要突破的难点是磁通量变化率

2、的测量，多数采用的原理是控制某过程中穿过线圈磁通量变化量不变，测量线圈中磁通量变化的时间，从而测量磁通量变化率。也有少数利用线圈匀速穿过匀强磁场，测量线圈两端产生的动生电动势的大小。实验中采用电动机控制线圈或磁铁的运动速度；光电门测量线圈或磁铁运动的速度；传感器收集线圈或磁铁运动的速度信息。用数字示波器、电压传感器等测量闭合电路中产生的感应电动势。以上实验大多都在大学物理实验室完成，并没有用在高中物理教学中。而且其中使用的光电门、传感器等，电路连接复杂，它们的原理对于高中生来说，理解比较困难。再加上法拉第电磁感应定律本身就是一个难点，所以将这些仪器组成的实验应用到课堂上，增加了学生的负担，效果

3、不好。现在，我们设计的法拉第电磁感应定律验证仪，充分考虑学生的接受能力，实验使用器材简单，原理明了。实验可以测得多组磁通量变化率和感应电动势的值，应用计算机excel电子表格进行数据处理，定量地得出法拉第电磁感应定律。一、 实验器材竖直槽（自制，规格：槽50.0cm×6.0cm×4.5cm）、磁铁（磁性较强,体积：3.7cm×3.0cm×2.3cm）；底座（8.0cm×11cm×8.5cm）、J2423型可拆变压器中02008001400匝线圈(内截面3.7cm×3.7cm、避免磁铁落入线圈内部，在线圈上表面用透明胶带封住）

4、；J2459型学生示波器2MHz；电池（2节，1.5V）；导线。二、 实验原理1、磁通量变化率测量原理将磁铁从线圈上方H高处自由释放，在磁铁经过靠近线圈A、B位置（A、B间距为hAB）的极短过程中，测量线圈中磁通量的变化率和感应电动势的关系。原理为：当磁铁从线圈上方H高处自由下落，必定经过所选定的A、B过程，就控制了此过程中磁通量的变化量不变。磁铁下落高度H不同，经过hAB所用的时间t=hAB/v平不同。这样磁铁每次经过位置A和位置B过程中磁通量的变化率不同，线圈中产生的感应电动势不同。利用极限的思想，将磁铁经过的hAB取得极短，此过程的平均速度就近似等于位置B的瞬时速度。这个速度就是自由下落

5、的末速度，也是最大速度。根据自由落体运动规律可知，瞬时速度V瞬时与自由下落高度H的关系：。即：t=hAB/v瞬时=。时间t由磁铁下落距线圈上端的高度H决定。2、测量电动势的原理首先把示波器屏幕刻度按比例改画成电压示数（如下图）。然后调节示波器显示为一亮点，用左右平移旋钮把亮点移动到最左侧。信号输入接“X”输入和“地”，接入一节干电池，调节X增益，使亮点到1.5V位置；然后串联两节干电池，亮点就到3V位置（如果有偏差，可以反复调节）。这样示波器就改装成一台测量电压的仪器。3、测量感应电动势和线圈匝数关系原理利用以上实验，再控制磁铁下落的高度H不变，改变线圈的匝数n，测量感应电动势的大小。得到感应

6、电动势与线圈匝数n之间的关系。三、 实验数据下面是田雯老师今年在“第九届全国中学物理青年教师创新大赛”课上学生读取的实验数据，hAB取为1mm（对实验结论无影响，为的是计算机处理数据方便。）次数H/mt/s(hAB=0.001m)1/t（s-1）E感/V10.050.00101989.9490.7020.100.000711400.0001.1030.150.000581714.6431.4040.200.000511979.8991.7050.250.000452213.5941.80 60.300.000412424.8712.0070.350.000382619.1602.1080.40

7、0.000362800.0002.30下面是应用excel表格处理结果。四、 实验误差分析实验数据得出线圈中产生的感应电动势和磁通量的变化率成线性关系，直线并没有完全通过坐标原点。产生误差的主要原因：1.空气对磁铁运动的阻碍作用；2.线圈中产生的感应电流对磁铁运动的阻碍作用。磁铁到达线圈上表面时的速度小于理想（自由状态下）速度。磁通量的变化率比理想状态下的小，产生的感应电动势值偏小。五、 仪器改进设想使用我们设计的实验仪器教学效果非常明显，定量实验为学生理解和掌握法拉第电磁感应定律，提供了深刻的感性认识，不仅增强了学生学习物理的兴趣，还提高了课堂的教学效率，不仅使学生学习了知识，也培养了学生科学探究的能力和方法。实验设计新颖，操作简便；实验效果明显，易于观察；实验数据处理精确、快捷、直观；实验误差很小，实验结论明确。田雯老师用本仪器参加了第九届全国中学物理青年教师教学大赛，获得一等奖；本仪器课后参与自制教具展示，并获得全国一等奖。中国物理学会理事，中国物理学会教学委员会副主任吴祖仁先生参观后说：你们把多年的定性实验，转化成定量实验，简直就是一个创举！在参展期间同行