直线型法拉第电磁感应定律分析演示仪

周雅梅 代伟 黎源逍 尚菡

摘 要：针对法拉第电磁感应定律定量分析仪器的不足，设计了直线型法拉第电磁感应定律分析演示仪.该演示仪不但演示性好，可操作性强，学生理解起来容易，而且还可完成对法拉第电磁感应定律的精确定量分析和探究，实验仪器新颖，测量精度高，对培养学生的动手能力和创新精神有所帮助.

关键词：直线型;电磁感应定律;演示仪

文章编号：1008-4134（2019）17-0040中图分类号：G633.7文献标识码：B

法拉第电磁感应定律是中学物理电学部分中一个很重要的电学定律，为了帮助学生对该定律更好地理解，以往在教学过程中由于没有专门的设备，许多教师为此都积极地设计和制作了一些演示法拉第电磁感应定律的实验器材，但这些实验器材都或多或少存在一些问题：一是设计和制作的演示仪器演示效果差，使用效果不好;二是设计和制作的演示仪器结构复杂，操作不便，实验成功率低.笔者设计的直线型法拉第电磁感应定律分析演示仪克服了原有仪器的不足，形象而可靠地演示了法拉第电磁感应定律，从而实现对法拉第电磁感应定律E=n·ΔΦ/Δt中各量之间关系的精确定量探究分析.

1 现有仪器的不足

现有的法拉第电磁感应定律定量分析仪器定性的多、定量的少，或者是半定量粗略地研究法拉第电磁感应定律[1].如专利号为201020197743.X的实用新型专利为了改变穿过线圈的磁感应强度采取的做法是在一铁棒上缠绕漆包线，通过改变线圈中的电流大小改变磁感应强度的大小，通过改变铁棒在竖直长直管中自由下落的高度改变磁场切割线圈的速度，通过抽头来改变线圈的匝数，从而使线圈产生不同的感应电动势，完成对法拉第电磁感应定律的定量探究.这樣的设计存在的问题是由于管子的长度有限，铁棒在竖直长直管中自由下落的时间很短，即使通过传感器来进行测量也只能测到一组数据，只能进行单次测量而且测量精度不高.

2 直线型法拉第电磁感应定律分析演示仪

针对现有的法拉第电磁感应定律分析仪器的不足，新设计的定量分析仪器装置结构如图1所示，实物图如图2所示.仪器有一水平底板，底板上水平放置一有机玻璃管，同时在底板上安装定滑轮和直流调速电机以及电机控制元件，通过控制直流电机作自动往返运动.在电机轴上缠绕一根细钢丝去带动磁铁盒在有机玻璃管中来回穿梭，让闭合线圈去切割磁场.在有机玻璃管的外面固定三个带抽头的线圈，其中两个为演示线圈，一个为测量线圈.测量线圈的抽头与底板上的测量接线柱连接以便于与电压传感器连接进而进行定量分析.两个演示线圈分别与反向并联的两组发光二极管连接，两个演示线圈的匝数一个多一个少，实验中可以定性演示感应电动势大小与线圈匝数多少的关系，演示磁铁靠近和离开闭合线圈时二极管颜色和亮度的变化，演示线圈与发光二极管的接线如图3所示.

实验时根据二极管的发光情况来定性分析法拉第电磁感应定律并演示线圈切割磁场产生感应电动势的大小和方向.一个可以安放不同型号磁铁的圆筒形磁铁盒通过直流调速电机的正反转带动后可使磁铁能在水平有机玻璃管中往复运动进而反复切割线圈使线圈中产生交变感应电动势，一个电压传感器与测量用电磁线圈的多个抽头相连，通过电压传感器能测出多组数据，通过改变电机的转速可改变磁体切割线圈磁感应线的速度，通过改变磁铁盒中磁铁的大小可改

变磁体切割线圈的磁感应强度，通过改变测量线圈的抽头可改变线圈的匝数，通过以上技术措施可以借助本仪器定量探究测量线圈中感应电动势的大小与线圈匝数、磁通量的变化率的关系，通过实验数据分析可归纳得出法拉第电磁感应定律的数学表达式E=n·ΔΦ/Δt [2].电压传感器测得的数据接入计算机由电脑显示感应电动势随时间变化的曲线，这样使测量和分析数据都非常直观.

3 演示感应电动势的大小和方向

为了观察磁场切割感应线圈时感应线圈中有感应电动势的产生，并演示感应电动势的大小和方向，采取的技术方案是将红绿发光二极管反向并联后再与感应线圈串联[3].当磁铁盒靠近线圈时红光二极管发光，当磁铁盒离开线圈时绿光二极管发光，由此来演示感应电动势的方向;改变电机的转速，发光二极管的频闪速度和亮度也跟着改变，由此来演示感应电动势的大小变化规律.如果将电机反转，观察到的实验现象与正转刚好相反，若电机做往复运动则红、绿发光二极管就会不停地交替闪烁.通过观察两组二极管的发光情况可定性演示线圈切割磁场产生感应电动势的大小和方向.

4 法拉第电磁感应定律的精确定量探究分析

4.1 定量探究感应电动势E与时间Δt的关系

保持线圈匝数n和磁通量ΔΦ一定，改变电机电压，通过调压改变电机转速，使磁铁切割线圈的Δt改变，用电压传感器读出不同电机电压所对应的感应电动势大小.实验中，n=2000匝，磁铁盒中装中号磁铁，实验数据见表1，拟合直线如图4所示.

由表1和图4可以直观地得出，当n和ΔΦ一定时，E和1Δt成正比关系.

4.2 定量探究感应电动势E与磁通量ΔΦ的关系

保持线圈匝数n和时间Δt（电机电压）一定，实验中，n=2000匝，电机电压为6V，磁铁盒中分别装入不同型号的磁铁1个，线圈截面不变，通过改变磁感应强度B，从而改变磁通量ΔΦ，用电压传感器测出不同型号磁铁所对应的感应电动势大小.实验数据见表2，拟合直线如图5所示.

由表2和图5可以直观地得出，当n和Δt一定时，E和B成正比，由ΔΦ=ΔB·S，即E和ΔΦ成正比.

4.3 定量探究感应电动势E与线圈匝数n的关系

保持磁通量ΔΦ和時间Δt（电机电压）一定，线圈截面不变，改变线圈匝数n，用电压传感器读出不同线圈匝数所对应的感应电动势大小.实验中，磁铁为中号，电机电压为6V，实验数据见表3所示，拟合直线如图6所示.

由表3和图6可以很直观地得出，当ΔΦ和Δt一定时，E和n成正比关系.

5 实验装置优点

（1）仪器结构新颖，演示效果好，测量准确，对培养学生的创新精神和创新意识有帮助.

（2）磁铁是从线圈中间穿过，能非常直观地引导学生建立起闭合线圈切割磁场能产生感应电动势的物理情景.

（3）探究测量和演示过程中磁铁在线圈中来回穿梭，线圈切割磁场呈周期性变化，所以线圈中产生的感应电动势也呈周期变化，两组彩色发光二极管交替闪烁，既能吸引学生的注意力，又能激发学生的好奇心，能很好培养学生学物理的兴趣.

（4）实验数据通过电脑显示，方便观察测量和数据分析.

参考文献：

[1] 彭钟樊，代伟，王丹等.法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪[J].物理实验，2017，37（05）：55-57.

[2] 王志斌，王琳，余金龙，卢定山.定量探究法拉第电磁感应定律装置：中国，CN 201707818 U[P].2010.05.14.