電磁感應(yīng)實驗設(shè)計
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0引言
法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)中的一個重要內(nèi)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(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)電動勢也就越大”的結(jié)論．在此定性實驗的基礎(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)電動勢(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(shè)計并實現(xiàn)電磁感應(yīng)的定性和定量實驗．充磁器結(jié)構(gòu)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(xué)校實驗室中必備的器材，一種器材多種用途，它產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)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(xué)實驗，它是定性實驗電磁感應(yīng)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(fù)實踐，設(shè)計出了驗證法拉第電磁感應(yīng)定律的創(chuàng)新實驗方法．
1用充磁器實現(xiàn)電磁感應(yīng)實驗設(shè)計
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，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(jié)構(gòu)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(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，可見連在匝數(shù)線圈為n2上的演示電表V2指針擺幅大些，說明感應(yīng)電動勢和線圈匝數(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，可見演示電表指針擺動幅度大些、小些，說明感應(yīng)電動勢與閉合線圈內(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)計電磁感應(yīng)實驗
2．1實驗原理與實驗設(shè)計
根據(jù)變壓器的工作原理，當(dāng)交流電通過原線圈n1時，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?。舫閯訖M鐵軛到某一固定位置不動，此時的ΔΦ/Δt比較穩(wěn)定．
2．2實驗過程的實現(xiàn)
為了操作方便，將副線圈放在右手側(cè)，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(yīng)電動勢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，多用表電壓檔測出副線圈中產(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，4．5V小燈泡逐漸變暗，當(dāng)橫鐵軛移動離鐵芯約4mm時，觀察電壓讀數(shù)降到3V左右．利用上述直觀的現(xiàn)象，通過思考該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并進行分析驗證，可以得出結(jié)論:感應(yīng)電動勢E與橫鐵軛的水平移動有關(guān)，橫鐵軛的移動快慢不同，使磁通量變化快慢不同，產(chǎn)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(guān)，ΔΦ/Δt越小(大)，E越小(大)．
2．2．2定量探究感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)n的正比關(guān)系去掉副線圈，換上長導(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)．將橫鐵軛開口距離調(diào)至約4mm后固定不變，開始纏繞導(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程:在線圈繞到第6匝時，小燈泡微微發(fā)光;當(dāng)線圈繞到25匝左右時，小燈泡已經(jīng)比較亮了．在繞線過程中，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)電動勢約增大0．1V，可得出感應(yīng)電動勢E與匝數(shù)n的定量關(guān)系．同時觀察到:從鐵芯上逐漸解開纏繞的導(dǎo)線到第4匝時，小燈泡仍微微發(fā)光，而在纏繞到第4匝時，小燈泡卻并不發(fā)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(shè)每一匝線圈內(nèi)的磁通量的變化率為ΔΦ1/Δt，對應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)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(yīng)電動勢也增大一個E1，由此得出量化的結(jié)論:電路中感應(yīng)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(jié)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(chuàng)新設(shè)計的實驗和實踐，驗證了感應(yīng)電動勢與閉合線圈內(nèi)磁通量的變化率和線圈匝數(shù)成正比關(guān)系．加深了對法拉第電磁感應(yīng)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(yīng)在實際生活中的應(yīng)用提供了有效的借鑒意義．在實驗設(shè)計和實現(xiàn)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(xué)