直接归纳出法拉第电磁感应定律的演示实验

来源：高中物理辅导网 2009-09-09 21:56:02

　　法拉第电磁感应定律是高中物理教学的重要内容，它既是教学的重点，也是教学的难点。教学中一直缺乏能够直接归纳得出电磁感应定律的教学实验。教材上一般的说法是：“经过大量精确实验总结出：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量变化率成正比。这叫做法拉第电磁感应定律，用公式表述是：，由于缺乏实验基础，因而使学生接受这个定律缺乏必要的感性认识；硬性地给出结论，会对培养学生的科学方法造成缺憾。为此，我们设计了一个实验，用“动生电”的方法定量归纳出电磁感应定律：。

　　一、实验原理

　　如图1所示，如果一个匝数为n，宽度为l的线圈的一边以速度v在磁感强度为B的匀强磁场中垂直于磁场做切割磁感线运动，则线圈中总的磁通量的变化率为。根据法拉第电磁感应定律，在线圈中生成的感应电动热E为：

　　二、实验与教学

　　1．实验仪器

　　气垫导轨，光电门，电脑通用计数器（MUJ－6B），永磁铁，矩形线圈（约40匝），储存示波器（TDSl002）。

　　其中要求永磁铁的磁场其均匀部分的线度都不小于5cm，磁场强度最好大一些；矩形线圈的宽度l略小于磁场垂直于运动方向的均匀部分的宽度，长度较磁场平行于运动方向的均匀部分的长度短一些，以保证其可以完全在匀强磁场中运动；示波器可以存储波形，具有测量游标，能对电压、时间等物理量进行精确测量，还可以与计算机、投影仪连接。

　　2．实验装置（如图2）

　　如图2所示，把光电门与永磁铁分别放置于气垫导轨的两侧，使得他们的连线垂直于气垫导轨；在气垫导轨的滑块一边装上挡光板，用光电门和电脑通用计时器（MUJ－6B）记录滑块的运动速度；在滑块的另一边装上矩形线圈，使得线圈在运动的过程中垂直穿过均匀的磁场，磁场使用永磁铁生成。线圈的两端和储存示波器（TDSl002）的一个Y方向输入接口相接，记录感应电动势随时间的变化关系，并储存下其波形。

　　3．演示与教学

　　用手推动滑块，让矩形线圈随滑块在气垫导轨上运动。用光电门和电脑通用计时器记录当前滑块的运动速度，用示波器记录当前感应电动势随时间的变化关系，并储存下其波形。示波器还可以与计算机、投影仪连接，将波形展现，使得全班同学都看得清楚。让学生观察线圈的运动状态及位置，同时注意示波器上的波形变化。能观察到线圈在完全没有进入磁场前、完全在均匀磁场中运动、以及完全离开磁场以后的几段时间内运动中磁通量不变，得到的扫描线是和零电平相当的水平线段。当线圈只有一个横边在磁场中运动的情况，即在磁通量增加（线圈进入磁场）和减少（线圈从磁场出来）两个时候，得到的是两条分居于零电平两边的两条水平线段。（线圈的长度较磁场均匀部分的长度长一些的情况也是可以的，只是中间那段生成磁通量不变的情况和前面的情况有不同。）学生能清楚地看到在线圈中的磁通量没有变化的各个情况下，都没有感应电动势产生，而在磁通量增加时和减少的情况下便都有电动势产生，且在磁通量的两种变化情况下，磁通量的变化方向相反，感应电动势的方向也相反。此步实验可以反复进行，既可以一次演示上述的全过程，也可以一段一段地进行演示，非常便于学生弄清产生感应电动势的条件。

　　因为线圈是用尽可能细的漆包线绕成的，粘在轻的平直的纸板上，又因为示波器的输入阻抗很大（>106Ω），也即电磁阻尼很小，所以滑块在气垫导轨上的运动可以看作匀速直线运动。线圈的中间和挡光板相对，光电门和磁场相对，测得的是线圈在磁场中运动的平均速度。

　　三、实验结果

　　在学生通过实验弄清楚生成感应电动势的条件以后，可以进一步控制和改变线圈的运动速度，同时测量线圈的运动速度v及与此速度相对应的感应电动势峰值差E1，则感应电动势。将测量值列表（表1中列出我们实验测得的数值），使学生看到感应电动势随着穿过线圈的磁通量的变化率的增加而增加；做E-v图（图3），即可看出是一条延长线过原点的直线（前面已知：无磁通量变化时感应电动势为零）。对实验数据用Excel软件拟合，得出感应电动势与速度的关系式为：