直接歸納出法拉第電磁感應定律的演示實(shí)驗

　　法拉第電磁感應定律是高中物理教學(xué)的重要內容，它既是教學(xué)的重點(diǎn)，也是教學(xué)的難點(diǎn)。教學(xué)中一直缺乏能夠直接歸納得出電磁感應定律的教學(xué)實(shí)驗。教材上一般的說(shuō)法是：“經(jīng)過(guò)大量精確實(shí)驗總結出：電路中感應電動(dòng)勢的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通量變化率成正比。這叫做法拉第電磁感應定律，用公式表述是：，由于缺乏實(shí)驗基礎，因而使學(xué)生接受這個(gè)定律缺乏必要的感性認識；硬性地給出結論，會(huì )對培養學(xué)生的科學(xué)方法造成缺憾。為此，我們設計了一個(gè)實(shí)驗，用“動(dòng)生電”的方法定量歸納出電磁感應定律：。

　　一、實(shí)驗原理

　　如圖1所示，如果一個(gè)匝數為n，寬度為l的線(xiàn)圈的一邊以速度v在磁感強度為B的勻強磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)做切割磁感線(xiàn)運動(dòng)，則線(xiàn)圈中總的磁通量的變化率為。根據法拉第電磁感應定律，在線(xiàn)圈中生成的感應電動(dòng)熱E為：

　　二、實(shí)驗與教學(xué)

　　1．實(shí)驗儀器

　　氣墊導軌，光電門(mén)，電腦通用計數器（MUJ－6B），永磁鐵，矩形線(xiàn)圈（約40匝），儲存示波器（TDSl002）。

　　其中要求永磁鐵的磁場(chǎng)其均勻部分的線(xiàn)度都不小于5cm，磁場(chǎng)強度最好大一些；矩形線(xiàn)圈的寬度l略小于磁場(chǎng)垂直于運動(dòng)方向的均勻部分的寬度，長(cháng)度較磁場(chǎng)平行于運動(dòng)方向的均勻部分的長(cháng)度短一些，以保證其可以完全在勻強磁場(chǎng)中運動(dòng)；示波器可以存儲波形，具有測量游標，能對電壓、時(shí)間等物理量進(jìn)行精確測量，還可以與計算機、投影儀連接。

　　2．實(shí)驗裝置（如圖2）

　　如圖2所示，把光電門(mén)與永磁鐵分別放置于氣墊導軌的兩側，使得他們的連線(xiàn)垂直于氣墊導軌；在氣墊導軌的滑塊一邊裝上擋光板，用光電門(mén)和電腦通用計時(shí)器（MUJ－6B）記錄滑塊的運動(dòng)速度；在滑塊的另一邊裝上矩形線(xiàn)圈，使得線(xiàn)圈在運動(dòng)的過(guò)程中垂直穿過(guò)均勻的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)使用永磁鐵生成。線(xiàn)圈的兩端和儲存示波器（TDSl002）的一個(gè)Y方向輸入接口相接，記錄感應電動(dòng)勢隨時(shí)間的變化關(guān)系，并儲存下其波形。

　　3．演示與教學(xué)

　　用手推動(dòng)滑塊，讓矩形線(xiàn)圈隨滑塊在氣墊導軌上運動(dòng)。用光電門(mén)和電腦通用計時(shí)器記錄當前滑塊的運動(dòng)速度，用示波器記錄當前感應電動(dòng)勢隨時(shí)間的變化關(guān)系，并儲存下其波形。示波器還可以與計算機、投影儀連接，將波形展現，使得全班同學(xué)都看得清楚。讓學(xué)生觀(guān)察線(xiàn)圈的運動(dòng)狀態(tài)及位置，同時(shí)注意示波器上的波形變化。能觀(guān)察到線(xiàn)圈在完全沒(méi)有進(jìn)入磁場(chǎng)前、完全在均勻磁場(chǎng)中運動(dòng)、以及完全離開(kāi)磁場(chǎng)以后的幾段時(shí)間內運動(dòng)中磁通量不變，得到的掃描線(xiàn)是和零電平相當的水平線(xiàn)段。當線(xiàn)圈只有一個(gè)橫邊在磁場(chǎng)中運動(dòng)的情況，即在磁通量增加（線(xiàn)圈進(jìn)入磁場(chǎng)）和減少（線(xiàn)圈從磁場(chǎng)出來(lái)）兩個(gè)時(shí)候，得到的是兩條分居于零電平兩邊的兩條水平線(xiàn)段。（線(xiàn)圈的長(cháng)度較磁場(chǎng)均勻部分的長(cháng)度長(cháng)一些的情況也是可以的，只是中間那段生成磁通量不變的情況和前面的情況有不同。）學(xué)生能清楚地看到在線(xiàn)圈中的磁通量沒(méi)有變化的各個(gè)情況下，都沒(méi)有感應電動(dòng)勢產(chǎn)生，而在磁通量增加時(shí)和減少的情況下便都有電動(dòng)勢產(chǎn)生，且在磁通量的兩種變化情況下，磁通量的變化方向相反，感應電動(dòng)勢的方向也相反。此步實(shí)驗可以反復進(jìn)行，既可以一次演示上述的全過(guò)程，也可以一段一段地進(jìn)行演示，非常便于學(xué)生弄清產(chǎn)生感應電動(dòng)勢的條件。

　　因為線(xiàn)圈是用盡可能細的漆包線(xiàn)繞成的，粘在輕的平直的紙板上，又因為示波器的輸入阻抗很大（>106Ω），也即電磁阻尼很小，所以滑塊在氣墊導軌上的運動(dòng)可以看作勻速直線(xiàn)運動(dòng)。線(xiàn)圈的中間和擋光板相對，光電門(mén)和磁場(chǎng)相對，測得的是線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中運動(dòng)的平均速度。

　　三、實(shí)驗結果

　　在學(xué)生通過(guò)實(shí)驗弄清楚生成感應電動(dòng)勢的條件以后，可以進(jìn)一步控制和改變線(xiàn)圈的運動(dòng)速度，同時(shí)測量線(xiàn)圈的運動(dòng)速度v及與此速度相對應的感應電動(dòng)勢峰值差E1，則感應電動(dòng)勢。將測量值列表（表1中列出我們實(shí)驗測得的數值），使學(xué)生看到感應電動(dòng)勢隨著(zhù)穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量的變化率的增加而增加；做E-v圖（圖3），即可看出是一條延長(cháng)線(xiàn)過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)（前面已知：無(wú)磁通量變化時(shí)感應電動(dòng)勢為零）。對實(shí)驗數據用Excel軟件擬合，得出感應電動(dòng)勢與速度的關(guān)系式為：

E=014002v–010081

線(xiàn)性相關(guān)系數：=019983

　　可見(jiàn)，Y軸的截距極小，參考前面的實(shí)驗可以略去。這里寫(xiě)出擬合結果只是為了說(shuō)明實(shí)驗的精確程度。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生是從圖中直接觀(guān)察的，很容易得出E∝v，于是可以立即歸納得出：

　　進(jìn)一步測量磁場(chǎng)的磁感強度B、線(xiàn)圈的寬度l以及線(xiàn)圈的匝數n（實(shí)驗數值列于表2），及擬合得的關(guān)系式，代入（1）式計算，可得在實(shí)驗誤差范圍內取k=1，這就是要得出的法拉第電磁感應定律：（當然，可以進(jìn)一步說(shuō)明k=1是選取單位制時(shí)有意造成的。）

　　結論：這個(gè)實(shí)驗能夠在課堂上一步一步地演示，完整地歸納得出法拉第電磁感應定律，填補了中學(xué)教學(xué)的一個(gè)空白，對于學(xué)生學(xué)習這一重要定律和科學(xué)方法都有一定的作用。也可以在一定程度上作為學(xué)生的探究性學(xué)習課程。