一种简易的法拉第电磁感应定律实验验证方法

江苏省无锡市辅仁高级中学(214123) 沈志斌

1 传统教学的困惑

长期以来,由于中学物理实验条件的限制,无法通过定量实验得出法拉第电磁感应定律。传统教学途径是利用研究楞次定律的实验装置(见图1),快速插与慢速插(或快速拔与慢速拔)磁铁,通过观察灵敏电流计指针偏转角大小,结合书本文字“纽曼、韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后,于1845年和1846年先后指出：闭合电路中的感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比,后人称之为法拉第电磁感应定律”来验证法拉第电磁感应定律原理。这样的教学处理总感觉得出规律的证据不充分,过程略显粗糙,影响教学效果。

2 定律的实验验证

为了加深学生对定律的理解,物理教材中通常会设置一些验证性实验,如旧版教材中“验证牛顿第二定律实验”。基于这样的思考,笔者在教学中安排了实验验证的环节,将传统实验器材和现代DIS软件有机结合,收到了较好的教学效果。现将思考和实验介绍如下,供同行参考。

图1 传统实验装置

2.1 实验的原理

对于给定的线圈,n、R一定。

保持Δφ一定,如果快抽(插)和慢抽(插),线圈中流动的电量一定,可以验证E∝1/Δt的结论。

保持Δt一定,如果q∝Δφ,可以验证E∝Δφ的结论。

2.2 验证E∝1/Δt的实验

图2为实验原理图,图3为实验装置图,将条形磁铁从线圈的底部抽出(由底部至远离线圈),通过电流传感器、数据采集盒,在计算机屏幕上显示电流－时间波形(见图4),利用软件的积分功能求得q(I－t图像下所围出的面积)。

图2 实验原理图1

图3 DIS实验装置图1

图4 I－T 图像

表1为5次实验得到的电量,电量值很接近,通过计算平均值,再计算每次百分误差,背离程度小于5%,可以认为电量为恒定值,从而得到在Δφ一定时,E∝1/Δt的结论。

表1

2.3 验证E∝Δφ的实验

图5为实验原理图,图6为实验装置图,取2根同一型号的条形磁铁并列,并用橡皮筋绑住,从线圈底部抽出磁铁,这样可以认为与单根磁铁抽出时Δφ之比为2∶1,采用电流传感器显示感应电流波形,利用软件的积分功能求得q。

图5 实验原理图2

图6 DIS实验装置图2

表2 为5 次实验得到的电量值,其均值为0.00109654C,单根磁铁抽出时电量的均值为0.00056524C,两者的比值为1.94,接近2,可以支撑Δt一定时,E∝1/Δφ的结论。

表2

3 对实验教学的思考

教师应是用教材教而非教教材,这实际上给教师的教学创新提供了很大的空间。根据学情、结合教材、适当补充是取得良好教学效果的重要途径。苏州大学朱正元教授曾提出：“坛坛罐罐当仪器、拼拼凑凑做实验。”南京师范大学刘丙昇教授提出：“小实验、大智慧。”一方面强调了物理教学过程中实验的重要性,另一方面也指出了实验设计要讲究简洁美。本文实验器材,学生在探究感应电流方向时接触过,采用传统实验装置与DIS 设备有机结合,是物理实验改革创新的一个方向。