電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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0引言
法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容，在物理教材中，通過(guò)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(shí)驗(yàn)，分析插拔磁鐵的快慢與靈敏電流表指針擺動(dòng)的幅度關(guān)系，得出“閉合線路內(nèi)，磁通量的變化率越大，線圈的匝數(shù)越多，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越大”的結(jié)論．在此定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教材中直接引出了法拉第電磁感應(yīng)定律．顯然，上述方法省略了“E與n、ΔΦ/Δt成正比關(guān)系:E=nΔΦ/Δt，E:感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)，n:感應(yīng)線圈匝數(shù)，ΔΦ/Δt:磁通量的變化率”這一量化結(jié)論的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程．由于采用手動(dòng)操作改變?chǔ)う?Δt，并且靈敏電流表的指針是瞬時(shí)晃動(dòng)的，實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)的定性和定量實(shí)驗(yàn)．充磁器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、操作方便，在物理實(shí)驗(yàn)室中主要是為給條形磁鐵充磁，也可為U形磁鐵充磁，是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中必備的器材，一種器材多種用途，它產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度比一般永久式磁鐵高許多，因此，可以用來(lái)定性地演示許多電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，它是定性實(shí)驗(yàn)電磁感應(yīng)較好的方法．常見(jiàn)的定性實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行進(jìn)一步的探究．利用可拆交流演示變壓器可以定量進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐，設(shè)計(jì)出了驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法．
1用充磁器實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1．1充磁器
充磁器是一種快速飽和充磁設(shè)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(chǎn)出來(lái)，并不具備磁性，必須通過(guò)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(jié)構(gòu)上的原因，每次實(shí)驗(yàn)通電時(shí)間一般不超過(guò)幾秒鐘，否則，升溫過(guò)快會(huì)損壞充磁器．
1．2用充磁器定性的演示法
拉第電磁感應(yīng)定律(1)將合適的U形軟鐵棒套上事先繞上兩組不同匝數(shù)線圈的紙筒，線圈匝數(shù)分別為n1和n2(n2＞n1)，然后插入充磁孔內(nèi)固定，如圖2所示，接通充磁器電源，可見(jiàn)連在匝數(shù)線圈為n2上的演示電表V2指針擺幅大些，說(shuō)明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和線圈匝數(shù)n成正比關(guān)系E∝n．(2)將合適軟鐵棒放入充磁孔內(nèi)，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(jiàn)演示電表指針擺動(dòng)幅度大些、小些，說(shuō)明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與閉合線圈內(nèi)磁通量的變化率成正比關(guān)系E∝ΔΦ/Δt．
2用可拆交流演示變壓器設(shè)計(jì)電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)
2．1實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)變壓器的工作原理，當(dāng)交流電通過(guò)原線圈n1時(shí)，閉合鐵芯中將產(chǎn)生峰值穩(wěn)定交流變化的磁通量變化率ΔΦ/Δt．如果水平移動(dòng)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?chǔ)う?Δt的大?。舫閯?dòng)橫鐵軛到某一固定位置不動(dòng)，此時(shí)的ΔΦ/Δt比較穩(wěn)定．
2．2實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)
為了操作方便，將副線圈放在右手側(cè)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中注意安全，勿用身體接觸原線圈中的交流電，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:
2．2．1定性探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量變化率ΔΦ/Δt之間的關(guān)系如圖3所示，將多用表V調(diào)至交流電壓10V檔，與4．5V小燈泡并聯(lián)，串接到副線圈n2，原線圈n1接入交流220V．當(dāng)橫鐵軛完全閉合在鐵芯上時(shí)，多用表電壓檔測(cè)出副線圈中產(chǎn)生4．5V的感應(yīng)電壓．將橫鐵軛從原線圈端向左緩慢地水平移動(dòng)，4．5V小燈泡逐漸變暗，當(dāng)橫鐵軛移動(dòng)離鐵芯約4mm時(shí)，觀察電壓讀數(shù)降到3V左右．利用上述直觀的現(xiàn)象，通過(guò)思考該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并進(jìn)行分析驗(yàn)證，可以得出結(jié)論:感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與橫鐵軛的水平移動(dòng)有關(guān)，橫鐵軛的移動(dòng)快慢不同，使磁通量變化快慢不同，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)大小與ΔΦ/Δt有關(guān)，ΔΦ/Δt越小(大)，E越小(大)．
2．2．2定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n的正比關(guān)系去掉副線圈，換上長(zhǎng)導(dǎo)線纏繞在鐵芯上替代副線圈，將導(dǎo)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(lián)．將橫鐵軛開(kāi)口距離調(diào)至約4mm后固定不變，開(kāi)始纏繞導(dǎo)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(dǎo)線，隨著纏繞在鐵芯上的線圈匝數(shù)增多，可觀察到小燈泡從不亮到亮的變化過(guò)程:在線圈繞到第6匝時(shí)，小燈泡微微發(fā)光;當(dāng)線圈繞到25匝左右時(shí)，小燈泡已經(jīng)比較亮了．在繞線過(guò)程中，觀察多用表上交流電壓讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)每多繞一匝導(dǎo)線，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)約增大0．1V，可得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n的定量關(guān)系．同時(shí)觀察到:從鐵芯上逐漸解開(kāi)纏繞的導(dǎo)線到第4匝時(shí)，小燈泡仍微微發(fā)光，而在纏繞到第4匝時(shí)，小燈泡卻并不發(fā)光，說(shuō)明有自感作用．通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步進(jìn)行分析探究:假設(shè)每一匝線圈內(nèi)的磁通量的變化率為ΔΦ1/Δt，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E1，則每多繞一匝線圈，ΔΦ/Δt就增大一個(gè)單位ΔΦ1/Δt，線路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也增大一個(gè)E1，由此得出量化的結(jié)論:電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(guó)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(jié)束語(yǔ)
通過(guò)用充磁器和可拆交流演示小變壓器兩種簡(jiǎn)單的裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，驗(yàn)證了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與閉合線圈內(nèi)磁通量的變化率和線圈匝數(shù)成正比關(guān)系．加深了對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的理解，熟悉了實(shí)驗(yàn)器材的使用，有利于提高動(dòng)手能力、觀察能力和思維能力．也為電磁感應(yīng)在實(shí)際生活中的應(yīng)用提供了有效的借鑒意義．在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)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(xué)