自制教具定量探究法拉第电磁感应定律

物理教学探讨
Journal of Physics Teaching 38卷总第545期
2020年第11期
Vol.38 No.545
11.2020 . 58 .自制教具定量探究法拉第电磁感应定律
宋培文，唐林,苟丽娟
四川省南充高级中学，四川南充637900
摘 要：本实验利用倍数法和控制变量法定量探究感应电动势与磁通量变化量、时间的关系，得出法拉第电磁感应 定律&
关键词：法拉第电磁感应定律；定量探究；数字化实验室
中图分类号：G633.7 文献标识码:A 文章编号：1003-6148(2020)11-0058-3
法拉第电磁感应定律是中学物理的教学重
点和难点。

由于在实验探究环节中，磁通量变化
量的改变、对应的时间和电动势测量比较困难，造 成了实验探究的困难。

考虑到多方面的因素，教材
编写和课标要求都只停留在教师和学生通过定 性探究和分析得出定量的结论叫实验的结果和
教学的内容虽能让学生明白，但很难深入学生的 内心，这也在一定程度上增加了教与学的难度。

为了服务教学，提高课堂的说服力，降低教学难
度，我们在参考其他老师对法拉第电磁感应定律 的定量探究的基础上，改进了实验器材，使其既 能定量探究，又制作简单、操作方便、易于推广。

1 变量控制方法和测量原理3#
1.1 变量的控制
(1) 通过电动机转动速度的调节改变实验中将磁铁固定在可以自由转动的横杆
上，横杆在电动机的带动下转动，通过控制电动 机的转速改变时间。

本设计可以重复测量和较方
便地改变时间。

(2) 通过倍数法改变!!
实验中在横杆上的一端连续并排放置三组
圆形强磁铁，每组两枚，实验时依次成倍地增加
横杆上磁铁的个数，另外在横杆的另一端对称的 位置上放置金属片配重。

本设计用倍数增加的方
法解决了磁通量的改变问题。

1.2 测量方案
用朗威数字化信息系统实验室DIS-lab7.2
软件和电压传感器进行测量，利用软件的测量、 求和和绘图功能，测量电源电动势的平均值，利
用时间轴获取发生电磁感应的时间，利用绘图功 能研究数据特征。

2
法拉第电磁感应定律实验方案介绍
2.1
实验器材的介绍
实验器材规格(图1):(1)磁铁:实验采用的
磁铁为10 mm x 2 mm 的圆形强磁铁；(2)配重:—- 枚一元的硬币；(3)直流电动机：12 V 无极变速直
流电动机;(4)电源：7个干电池组成的电池组；(5) 电压传感器：朗威多量程电压传感器(LW-E844)，
朗威数据采集器(LW-D801)，朗威数字化信息系
统实验室软件DIS-lab7.2； (6)计算机；(7)线圈： 大小：75 mm x 75 mm x 9 mm ，匝数：100匝，铜丝直
收稿 < 期：2020-06-10
基金项目：本文为DEF 教育研究中心2018年度课题"新高考背景下高中物理青年教师专业成长策略研究"(项目
编号:CJF18030)的研究成果&
作者简介：宋培文(1987-),男，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作，曾获四川省2015年青年教师教学展评"一
等奖”；唐林(1993-),男，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作，曾获南充市2019年中小学实验说课评选｛动一等
奖；苟丽娟(1992-),女，中学二级教师，主要从事高中物理教学工作，曾获南充市2018年中小学实验说课评选｛动一等奖。

38卷总第545期2020年第11期
物理教学探讨
Journal of Physics Teaching
Vol.38No.545
11,2020.59.
径：0.3mm；(8)面板：500mm x700mm左右；(9)横杆长度:600mm左右o
2.2实验器材的制作
(1)横杆的制作:横杆是由实验室的直尺改造而成，制作时在中央位置打一个3mm的小孔，便于固定在直流电动机上。

然后，用10mm的开孔器在尺子的一端依次开孔，开孔个数为3组6个，每一组小孔对称，相邻的两组孔中心间距为13mm。

最后，在另一端与第二组对称的位置开一个小孔，放置一枚硬币配重。

(2)电动机的安装:面板的中间位置打孔4mm,让直流电动机从背面穿过面板接在横杆上，用热熔胶将电动机固定在面板上。

(3)电源的安装:用7节干电池组成的电池组供电，采用香蕉头对应每一节电池的位置用于改变直流电动机的电压。

(4)线圈的固定:用美工刀在面板上直流电动机的正下方对应3组磁铁的位置开孔，磁铁静止放置时刚好全部落入线圈中，线圈置入孔中固定，预留接线柱连接传感器。

如图2所示。

正面背面
]2法拉第电磁感应定律实验探究仪
2.3实验操作步骤
2.3.1 !一定时,改变！!,研究感应电动势大小与!的关系
(1)连接电路:将电压传感器的测量端与线圈连接，然后将传感器与朗威传感器数据接收器通道1连接、计算机连接；
(2)设置软件:打开朗威数字化信息系统实验室DIS-1ab7.2软件，选择“通用软件”一*计算表格”一添加数据*时间！”和*41/!”，然后关闭。

(3)测量:选择*电压"1—时间！”，在横杆上对称地放置一组磁铁，接通电源(两节干电池)，点击*采集控制一开始”一段时间后点击*采集控制一停止”结束采集数据！使用拖曳工具，将测量的数据部分拖曳到屏幕内；然后选择*图线控制”！*Y缩放”缩放到适当比例！使用区域选择工具,选择磁铁进入线圈时电压传感器测量的数据，即上半部分的曲线(如图3所示)！点击*数据处理一其他处理一求平均值”求出平均值！点击*记录数据”记录到表格中!从*X标尺”读数时间并手动记录在表格中。

3求平均值
(4)改变电动机的电源所接电池的节数以改变电压，改变磁铁的转数(即改变磁铁进入线圈的时间)，重复步骤(3)的操作，得到多组数据，将数据依次记录在表格中(见表1)，关闭直流电动机的电源。

表#E-t关系实验数据
组数tc/s时间的倒数"1/V
10.015166.22520.079
20.0090111.11100.132
30.0063158.73020.192
40.0048208.33330.264
50.0040250.00000.304
(5)打开计算表格，依次输入记录的时间，然后点击*组合图线1”，以*电动势("J”为％轴，*时间的倒数”为&轴，添加*电压"1-时间的倒数”图线(图4)，得到如图5所示的图像。

4组合图线的坐标选择
图5E-时间的倒数图像
(6)分析数据，得出结论。

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2.3.2!一定时，改变研究感应电动势大小与!的关系
(7)保持电动机转速不变，成倍增加磁铁的个数,重复测量并记录3组电动势的大小，数据见表2。

(8)打开“计算表格”添加变量“磁通量的变化量”，用1、2、3分别表示三次测量的磁通量的倍数关系(见表2)。

添加组合图线,以“电动势U i”为#轴、以“磁通量的变化量”为$轴建立坐标系，得到感应电动势大小与磁通量的变化量的关系，如图6所示。

2E_!p实验数据
组数Ui/V磁通量的变化量
10.2381
20.4742
30.7203
图6E-!!关系图像
(9)分析数据得出结论。

3实验设计的反思
3.1本实验设计的优3
(1)实验原理简单，操作方便。

(2)实验能够反复重现。

(3)时间可调、可控、可测。

(4)用倍数法巧妙地解决了磁通量难以测量的问题。

(5)利用传感器和DIS系统测量、记录和处理数据，弥补了传统方法误差大、耗时多的缺点，提高了课堂效率。

(6)实验测得的是平均值，更符合规律的讲解，同时时间非常短时，可以近似地认为是瞬时值，方便学生对平均电动势和瞬时电动势的理解。

3.2本实验还可以改进的地方
(1)电动机可以改用步进电机和电子电路控制，使磁铁圆周运动更加稳定，减小线圈中产生感应电流时对磁铁运动的影响。

(2)线圈的形状可以用扇形骨架绕制成扇形线圈，增加实验原理的准确。

(3)可以添加线圈抽头，改变匝数，探究感应电动势与匝数的关系。

(4)将磁铁改为匝数较多的电磁铁,并将电磁铁固定，通过改变电磁铁的电流改变磁场的强弱，从而改变磁通量的变化量；然后将线圈固定在横杆上，通过金属环引出接入到电压传感器测量，可以使操作更加方便。

参考文献：
[1]陈熙谋，吴祖仁.物理选修3-2[M].C京：教育科学出版社,2012：8-12.
[2]李强.L用实验系统研究法拉第电磁感应定律的实验设计[J].物理教学,2013,35(7):21-22.
[3]王志斌，余金龙，卢定b,等.研制实验装置定量探究法拉第电磁感应定律[J].教学仪器与实验,2011(7):34-36.
(栏目编辑罗琬华)
(上接第57页)"+'=g,得"o=。

总结:在以转动物体为参考系应用牛顿运动定律时需要引入惯性力，如果转动参考系为匀速转动，相对其静止的物体需要引入离心力，相对其运动的物体除离心力之外还需要引入科里奥利力，如果转动参考系为变速转动则还需引入惯性切向力。

引入几种惯性力后，我们可以像在惯性系中一样处理转动非惯性系中的运动学问题。

参考文献：
[1]王瑞.惯性力的本质[J].物理与工程,2006(2):62-63.
[2]王刚志，郭肖勇，吴泽华，等.电磁力与惯性力的相似性研究[J].物理与工程,2018,28(3):84-85.
[3]江昌龙.惯性力的分类及其在解题中的应用几黄b学院学报，2010,12(3):123-125.
[4]程军,韩玉龙.惯性力在质3运动问题中的运用[J].物理通报,2019(S1)：4-6.
(栏目编辑罗琬华
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