罗 慧

(浙江省衢州市紫港中学,浙江 衢州 324200)

“法拉第电磁感应定律”作为实验定律人教版教材[1]中是通过定性分析电磁感应的相关实验,直接给出的,缺乏定量实验．随着教育技术的发展,和教师创新能力的提高,很多教师在探索定量探究实验方法．[2-7]但由于实验原理复杂,且数据的采集和显示依赖DIS和计算机,这并不利于实验方法在经济较落后的地区普及.笔者通过查阅文献,在教材定性实验基础上,设计了一种法拉第电磁感应定量实验器材．

1 实验原理与装置

如图1所示,将有机玻璃管穿过自制线圈,让强磁铁在有机玻璃管内下落,穿过线圈的磁通量发生变化,产生感应电动势,并在与线圈相连的自制感应电动势测量板中显示．

图1 整体效果图

感应电动势测量板与线圈用塑料螺丝固定(如图2),当线圈中产生感应电动势时,对电容器充电,由于二极管的单向导电性,电容器不能通过二极管放电,此时并联在电容器两端的4位数显式电压表可以测出电压的最大值,即感应电动势的最大值,电路连接如图3所示．

① 有机玻璃管 ② 线圈及固定螺丝 ③ 电容器复位开关 ④ 数字电压表电源开关 ⑤ 三线4位数字电压表

图2 感应电势测量板

① 数字式电压表 ② 干电池 ③ 二极管 ④ 电源开关 ⑤ 电容器 ⑥ 线圈 ⑦ 塑料固定螺丝(固定线圈和电路板)

图3 感应电动势电路板背面及电路图

图4 探究E与实验图

2 教具的参数和说明

实验器材主要由强磁铁,有机玻璃管,感应电动势测量板,线圈4个部分组成．

图5 封装在容器中的磁铁

强磁铁:采用直径为20mm，长度为30mm的圆柱形强磁铁,并封装在自制的容器(如图5)中,该容器的边缘与有机玻璃管内径几乎相等,使磁铁每次从同一位置穿过磁铁,保证实验数据的稳定和准确．实验时只要手持棉绳,释放磁铁,就可往上拉回磁铁进行回收重复实验．

有机玻璃管:外径34mm，内径厚2mm，长度为1500mm,并在外表面粘贴透明刻度纸．调节线圈高度时,先将橡皮筋绕在有机玻璃管相应高度上,再套上线圈依靠橡皮筋阻力较大固定线圈位置．

感应电势测量电路板:黑色亚克力板3mm厚,长210mm高30mm(与线圈高度等高),并按数字电压表、开关大小开孔．将电解电容器(50V，11μF)、二极管(IN4001)、3节7号电池及电池盒(为数字电压表供电),船型开关(型号KCD1电压表电源开关)、自复位开关(型号LA16-11M电容器放电)、数显式电压表(0.56寸4位三线)按上文电路连接组装,粘贴或嵌入切割好的黑色亚克力板上．

线圈:工字线盘用透明亚克力板切割的圆环(内径40mm外径80mm厚3mm)和有机玻璃管粘合而成(内径36mm外径40mm长30mm)．用0.5的漆包线在线盘上绕制匝数为300匝、600匝的线圈各一只,900匝的线圈3只,并将绕制好的线圈与感应电动势测量板连接并用塑料螺母固定(避免铁质螺丝对磁铁运动的影响)．

将上述器材装配并放置在亚克力制作的支架上,打开电路板电源开关即可开始实验．整套器材合计花费200元左右,具体见表1．

表1 材料价格清单

3 实验的数据及分析

表2 线圈高度为90cm，探究E与N的关系

续表

图6E与N的关系

表3 线圈匝数900匝，探究E与的关系

续表

4 教具的特点

本教具设计巧妙,与教材中用磁铁穿过线圈的快慢来探究“影响感应电动势大小的因素”的实验方案衔接,[1]结合落体运动实验原理,学生一看就明白;数据准确,利用数显电压表可视性好,操作简便;与动辄上万的DIS实验套件、计算机相比,造价低廉,结构简单,易于自制和仿制;该教具在浙江省实验创新评比中获一等奖．