伍科 张旺

(安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241002)

电磁感应定律的实验探究活动始终是中学物理实验教学的难点，这种实验探究活动在中学物理课堂上也难以开展．随着数字化实验技术的发展，运用电磁学传感器能够精确采集实验数据，使法拉第电磁感应的定量实验探究成为可能．有研究者提出，将实验线圈置于亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场中，通过手动调节励磁电流旋钮改变通入亥姆霍兹线圈的电流，引起内部磁场的变化，即可在实验线圈中产生感应电动势，但该方法很难获得随时间均匀变化的磁场[1]．也有研究者利用电机带动磁铁旋转产生磁场变化，运用磁铁转速间接反映磁通量变化率[2]．该实验虽然操作简单，容易获得实验数据，但结构复杂，很难使学生理解间接反映磁通量变化率的实验原理．

本文基于Phyphox程序和自制教具，设计搭建一套新型电磁感应定律实验探究仪，采用常见的电学实验器材和自制教具即可开展定量探究教学．

1 实验原理与教具制作

探究法拉第电磁感应定律的实验原理及运用Phyphox程序自制实验探究教学仪器的设计方案如下．

1.1 实验原理

1.2 实验装置及制作

为开展电磁感应定律的实验探究教学，自行研制了一套实验探究仪．该装置由原线圈、副线圈、SG1641A型函数信号发生器、KJ9208B+型数字万能表及智能手机等几部分组成，如图1所示．

图1 实验装置示意图

其中，原线圈和副线圈采取内外套筒式放置，铜丝规格为直径0.49 mm聚酯漆包线．原线圈、副线圈和智能手机均固定在一块长木板上，并将智能手机放在原线圈的内部中间位置．SG1641A型函数信号发生器和KJ9208B+型万用表分别与原线圈和副线圈相连接．

值得注意的是，因通电线圈内部所产生的磁场会在其两端存在非均匀的边缘效应，只有中间一段区域内的磁场可近似视作匀强磁场，应选择靠近原线圈的中心区域测量匀强磁场的数据．通电线圈长度L与其半径R相比较，比值越大时，线圈内部的磁场均匀区域越大．以长度L是其半径R的10倍为例，通电线圈内部沿着轴向的磁场，长度为6R范围内的磁感应强度分布比较均匀[3]．本实验装置确定原线圈长度为23.5 cm，线圈半径为3.8 cm，共473匝．用传感器测量可知，原线圈内部具有匀强磁场特性的实际长度范围约为14.5 cm，副线圈长度应小于该长度，因此将副线圈的长度设置为12 cm，直径略大于原线圈，设置为8.6 cm．此外，副线圈采用双层绕制共485匝，以增强实验效果．

2 实验过程与数据采集

运用SG1641A型函数信号发生器提供三角波交流电，输入原线圈，进行电磁感应定律实验．下面具体呈现利用Phyphox程序展开法拉第电磁感应定律定量实验的操作步骤．

(1)搭建如上述图1所示的实验装置，打开手机上的Phyphox程序，选择测磁感应强度栏目，点击显示界面左上角功能区，选择远程控制功能，将出现在手机界面上的网址输入到笔记本电脑浏览器上，以便在远程端观察和处理实验数据．

(2)使信号发生器输出三角波交流电，在笔记本电脑端Phyphox实验界面上点击开始测量，并将万能表调至测交变电压挡位．可以观察到Phyphox实验界面上的B-t图像呈现三角波变化规律．测得1至2个三角波周期的B-t图像，如图2所示．

图2 呈现三角波变化规律的B-t图像

表1 原线圈中输入三角波交流电实验数据

图3 E-线性拟合图

3 总结

基于Phyphox程序和自制教具，改进了定量探究法拉第电磁感应定律的实验方案，解决了现有实验方案不能测得磁通量变化率的缺点，学生能够经历定量探究的过程，通过对实验数据的分析得到结论，有效地帮助学生理解法拉第电磁感应定律．利用智能手机Phyphox程序开展定量探究法拉第电磁感应定律，能够提高实验的精确性和可操作性，易于推广，同时也体现了信息技术手段与物理教学的融合．