電磁感應實驗設計

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0引言

法拉第電磁感應定律是電磁學中的一個重要內容，在物理教材中，通過用條形磁鐵插入、拔出串接了靈敏電流表的閉合線圈定性實驗，分析插拔磁鐵的快慢與靈敏電流表指針擺動的幅度關系，得出“閉合線路內，磁通量的變化率越大，線圈的匝數越多，產生的感應電動勢也就越大”的結論．在此定性實驗的基礎上，教材中直接引出了法拉第電磁感應定律．顯然，上述方法省略了“E與n、ΔΦ/Δt成正比關系:E=nΔΦ/Δt，E:感應電動勢(V)，n:感應線圈匝數，ΔΦ/Δt:磁通量的變化率”這一量化結論的實驗研究過程．由于采用手動操作改變ΔΦ/Δt，并且靈敏電流表的指針是瞬時晃動的，實驗操作、觀察都存在一定的局限．本文用充磁器和可拆交流演示變壓器分別設計并實現電磁感應的定性和定量實驗．充磁器結構簡單，重量輕、操作方便，在物理實驗室中主要是為給條形磁鐵充磁，也可為U形磁鐵充磁，是學校實驗室中必備的器材，一種器材多種用途，它產生磁場的磁感應強度比一般永久式磁鐵高許多，因此，可以用來定性地演示許多電磁學實驗，它是定性實驗電磁感應較好的方法．常見的定性實驗不能進行進一步的探究．利用可拆交流演示變壓器可以定量進行試驗研究，通過反復實踐，設計出了驗證法拉第電磁感應定律的創新實驗方法．

1用充磁器實現電磁感應實驗設計

1．1充磁器

充磁器是一種快速飽和充磁設備，是一種多種用途器材，它的作用就是給磁鐵上磁，磁鐵在剛生產出來，并不具備磁性，必須通過充磁器充磁后才能帶磁．充磁器示意圖如圖1所示，由于充磁器結構上的原因，每次實驗通電時間一般不超過幾秒鐘，否則，升溫過快會損壞充磁器．

1．2用充磁器定性的演示法

拉第電磁感應定律(1)將合適的U形軟鐵棒套上事先繞上兩組不同匝數線圈的紙筒，線圈匝數分別為n1和n2(n2＞n1)，然后插入充磁孔內固定，如圖2所示，接通充磁器電源，可見連在匝數線圈為n2上的演示電表V2指針擺幅大些，說明感應電動勢和線圈匝數n成正比關系E∝n．(2)將合適軟鐵棒放入充磁孔內，讓連有演示電表V1(或V2)的線圈n1(或n2)分別快速、慢速穿入軟鐵棒，可見演示電表指針擺動幅度大些、小些，說明感應電動勢與閉合線圈內磁通量的變化率成正比關系E∝ΔΦ/Δt．

2用可拆交流演示變壓器設計電磁感應實驗

2．1實驗原理與實驗設計

根據變壓器的工作原理，當交流電通過原線圈n1時，閉合鐵芯中將產生峰值穩定交流變化的磁通量變化率ΔΦ/Δt．如果水平移動變壓器上端的橫鐵軛，鐵芯不再完全閉合，一部分磁感線外泄，使鐵芯中的ΔΦ/Δt變小，如圖3所示．按照上述操作，可改變ΔΦ/Δt的大小．若抽動橫鐵軛到某一固定位置不動，此時的ΔΦ/Δt比較穩定．

2．2實驗過程的實現

為了操作方便，將副線圈放在右手側，同時在實驗中注意安全，勿用身體接觸原線圈中的交流電，實驗過程如下:

2．2．1定性探究感應電動勢E與磁通量變化率ΔΦ/Δt之間的關系如圖3所示，將多用表V調至交流電壓10V檔，與4．5V小燈泡并聯，串接到副線圈n2，原線圈n1接入交流220V．當橫鐵軛完全閉合在鐵芯上時，多用表電壓檔測出副線圈中產生4．5V的感應電壓．將橫鐵軛從原線圈端向左緩慢地水平移動，4．5V小燈泡逐漸變暗，當橫鐵軛移動離鐵芯約4mm時，觀察電壓讀數降到3V左右．利用上述直觀的現象，通過思考該現象產生的原因并進行分析驗證，可以得出結論:感應電動勢E與橫鐵軛的水平移動有關，橫鐵軛的移動快慢不同，使磁通量變化快慢不同，產生的電動勢大小也不同．磁通量變化快慢類比于速度變化快慢，用ΔΦ/Δt表示，電動勢大小與ΔΦ/Δt有關，ΔΦ/Δt越小(大)，E越小(大)．

2．2．2定量探究感應電動勢E與匝數n的正比關系去掉副線圈，換上長導線纏繞在鐵芯上替代副線圈，將導線兩端與小燈泡串接成閉合線路，并將多用表與小燈泡并聯．將橫鐵軛開口距離調至約4mm后固定不變，開始纏繞導線，由于在n2鐵芯上下位置不同，ΔΦ/Δt略有差異，所以選擇在n2鐵芯下部的同一位置附近纏繞導線，隨著纏繞在鐵芯上的線圈匝數增多，可觀察到小燈泡從不亮到亮的變化過程:在線圈繞到第6匝時，小燈泡微微發光;當線圈繞到25匝左右時，小燈泡已經比較亮了．在繞線過程中，觀察多用表上交流電壓讀數，發現每多繞一匝導線，感應電動勢約增大0．1V，可得出感應電動勢E與匝數n的定量關系．同時觀察到:從鐵芯上逐漸解開纏繞的導線到第4匝時，小燈泡仍微微發光，而在纏繞到第4匝時，小燈泡卻并不發光，說明有自感作用．通過上述實驗，進一步進行分析探究:假設每一匝線圈內的磁通量的變化率為ΔΦ1/Δt，對應產生的感應電動勢為E1，則每多繞一匝線圈，ΔΦ/Δt就增大一個單位ΔΦ1/Δt，線路中感應電動勢也增大一個E1，由此得出量化的結論:電路中感應電動勢的大小，跟磁通量的變化率成正比．即E∝ΔΦ/Δt，E=kΔΦ/Δt(1)若E、ΔФ、Δt均取國際單位，上式中k=1，由此得出E=ΔΦ/Δt(2)若閉合電路有n匝線圈，則E=nΔΦ/Δt(3)

3結束語

通過用充磁器和可拆交流演示小變壓器兩種簡單的裝置創新設計的實驗和實踐，驗證了感應電動勢與閉合線圈內磁通量的變化率和線圈匝數成正比關系．加深了對法拉第電磁感應定律的理解，熟悉了實驗器材的使用，有利于提高動手能力、觀察能力和思維能力．也為電磁感應在實際生活中的應用提供了有效的借鑒意義．在實驗設計和實現過程中，得到我老師的大力支持和幫助，在此表示衷心感謝!

作者：何雨軒 單位：太原市第五中學