直接歸納出法拉第電磁感應(yīng)定律的演示實驗

　　法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，它既是教學(xué)的重點，也是教學(xué)的難點。教學(xué)中一直缺乏能夠直接歸納得出電磁感應(yīng)定律的教學(xué)實驗。教材上一般的說法是：“經(jīng)過大量精確實驗總結(jié)出：電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量變化率成正比。這叫做法拉第電磁感應(yīng)定律，用公式表述是：，由于缺乏實驗基礎(chǔ)，因而使學(xué)生接受這個定律缺乏必要的感性認(rèn)識；硬性地給出結(jié)論，會對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法造成缺憾。為此，我們設(shè)計了一個實驗，用“動生電”的方法定量歸納出電磁感應(yīng)定律：。

　　一、實驗原理

　　如圖1所示，如果一個匝數(shù)為n，寬度為l的線圈的一邊以速度v在磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中垂直于磁場做切割磁感線運動，則線圈中總的磁通量的變化率為。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在線圈中生成的感應(yīng)電動熱E為：

　　二、實驗與教學(xué)

　　1．實驗儀器

　　氣墊導(dǎo)軌，光電門，電腦通用計數(shù)器（MUJ－6B），永磁鐵，矩形線圈（約40匝），儲存示波器（TDSl002）。

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

　　2．實驗裝置（如圖2）

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

　　3．演示與教學(xué)

　　用手推動滑塊，讓矩形線圈隨滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運動。用光電門和電腦通用計時器記錄當(dāng)前滑塊的運動速度，用示波器記錄當(dāng)前感應(yīng)電動勢隨時間的變化關(guān)系，并儲存下其波形。示波器還可以與計算機(jī)、投影儀連接，將波形展現(xiàn)，使得全班同學(xué)都看得清楚。讓學(xué)生觀察線圈的運動狀態(tài)及位置，同時注意示波器上的波形變化。能觀察到線圈在完全沒有進(jìn)入磁場前、完全在均勻磁場中運動、以及完全離開磁場以后的幾段時間內(nèi)運動中磁通量不變，得到的掃描線是和零電平相當(dāng)?shù)乃�平線段。當(dāng)線圈只有一個橫邊在磁場中運動的情況，即在磁通量增加（線圈進(jìn)入磁場）和減少（線圈從磁場出來）兩個時候，得到的是兩條分居于零電平兩邊的兩條水平線段。（線圈的長度較磁場均勻部分的長度長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圈中的磁通量沒有變化的各個情況下，都沒有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，而在磁通量增加時和減少的情況下便都有電動勢產(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(yīng)電動勢的方向也相反。此步實驗可以反復(fù)進(jìn)行，既可以一次演示上述的全過程，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(yīng)電動勢的條件。

　　因為線圈是用盡可能細(xì)的漆包線繞成的，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(dǎo)軌上的運動可以看作勻速直線運動。線圈的中間和擋光板相對，光電門和磁場相對，測得的是線圈在磁場中運動的平均速度。

　　三、實驗結(jié)果

　　在學(xué)生通過實驗弄清楚生成感應(yīng)電動勢的條件以后，可以進(jìn)一步控制和改變線圈的運動速度，同時測量線圈的運動速度v及與此速度相對應(yīng)的感應(yīng)電動勢峰值差E1，則感應(yīng)電動勢。將測量值列表（表1中列出我們實驗測得的數(shù)值），使學(xué)生看到感應(yīng)電動勢隨著穿過線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線過原點的直線（前面已知：無磁通量變化時感應(yīng)電動勢為零）。對實驗數(shù)據(jù)用Excel軟件擬合，得出感應(yīng)電動勢與速度的關(guān)系式為：

E=014002v–010081

線性相關(guān)系數(shù)：=019983

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

　　進(jìn)一步測量磁場的磁感強(qiáng)度B、線圈的寬度l以及線圈的匝數(shù)n（實驗數(shù)值列于表2），及擬合得的關(guān)系式，代入（1）式計算，可得在實驗誤差范圍內(nèi)取k=1，這就是要得出的法拉第電磁感應(yīng)定律：（當(dāng)然，可以進(jìn)一步說明k=1是選取單位制時有意造成的。）

　　結(jié)論：這個實驗?zāi)軌蛟谡n堂上一步一步地演示，完整地歸納得出法拉第電磁感應(yīng)定律，填補(bǔ)了中學(xué)教學(xué)的一個空白，對于學(xué)生學(xué)習(xí)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(xí)課程。