直接歸納出法拉第電磁感應(yīng)定律的演示實(shí)驗(yàn)

　　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(diǎn)，也是教學(xué)的難點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)。教材上一般的說法是：“經(jīng)過大量精確實(shí)驗(yàn)總結(jié)出：電路中感應(yīng)電動(dòng)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，因而使學(xué)生接受這個(gè)定律缺乏必要的感性認(rèn)識；硬性地給出結(jié)論，會(huì)對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法造成缺憾。為此，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用“動(dòng)生電”的方法定量歸納出電磁感應(yīng)定律：。

　　一、實(shí)驗(yàn)原理

　　如圖1所示，如果一個(gè)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(yùn)動(dòng)，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(dòng)熱E為：

　　二、實(shí)驗(yàn)與教學(xué)

　　1．實(shí)驗(yàn)儀器

　　氣墊導(dǎo)軌，光電門，電腦通用計(jì)數(shù)器（MUJ－6B），永磁鐵，矩形線圈（約40匝），儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)方向的均勻部分的寬度，長度較磁場平行于運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)；示波器可以存儲(chǔ)波形，具有測量游標(biāo)，能對電壓、時(shí)間等物理量進(jìn)行精確測量，還可以與計(jì)算機(jī)、投影儀連接。

　　2．實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)器（MUJ－6B）記錄滑塊的運(yùn)動(dòng)速度；在滑塊的另一邊裝上矩形線圈，使得線圈在運(yùn)動(dòng)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(chǔ)存示波器（TDSl002）的一個(gè)Y方向輸入接口相接，記錄感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間的變化關(guān)系，并儲(chǔ)存下其波形。

　　3．演示與教學(xué)

　　用手推動(dòng)滑塊，讓矩形線圈隨滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。用光電門和電腦通用計(jì)時(shí)器記錄當(dāng)前滑塊的運(yùn)動(dòng)速度，用示波器記錄當(dāng)前感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間的變化關(guān)系，并儲(chǔ)存下其波形。示波器還可以與計(jì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)及位置，同時(shí)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(yùn)動(dòng)、以及完全離開磁場以后的幾段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(gè)橫邊在磁場中運(yùn)動(dòng)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(gè)時(shí)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(gè)情況下，都沒有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，而在磁通量增加時(shí)和減少的情況下便都有電動(dòng)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(dòng)勢的方向也相反。此步實(shí)驗(yàn)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(dòng)勢的條件。

　　因?yàn)榫�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?yàn)槭静ㄆ鞯妮斎胱杩购艽螅?gt;106Ω），也即電磁阻尼很小，所以滑塊在氣墊導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)可以看作勻速直線運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)的平均速度。

　　三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)弄清楚生成感應(yīng)電動(dòng)勢的條件以后，可以進(jìn)一步控制和改變線圈的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)測量線圈的運(yùn)動(dòng)速度v及與此速度相對應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢峰值差E1，則感應(yīng)電動(dòng)勢。將測量值列表（表1中列出我們實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)值），使學(xué)生看到感應(yīng)電動(dòng)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(diǎn)的直線（前面已知：無磁通量變化時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢為零）。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件擬合，得出感應(yīng)電動(dòng)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(shí)驗(yàn)可以略去。這里寫出擬合結(jié)果只是為了說明實(shí)驗(yàn)的精確程度。在實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)值列于表2），及擬合得的關(guān)系式，代入（1）式計(jì)算，可得在實(shí)驗(yàn)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(shí)有意造成的。）

　　結(jié)論：這個(gè)實(shí)驗(yàn)?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(gè)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。