電磁感應實(shí)驗設計論文
0引言
法拉第電磁感應定律是電磁學(xué)中的一個(gè)重要內容，在物理教材中，通過(guò)用條形磁鐵插入、拔出串接了靈敏電流表的閉合線(xiàn)圈定性實(shí)驗，分析插拔磁鐵的快慢與靈敏電流表指針擺動(dòng)的幅度關(guān)系，得出“閉合線(xiàn)路內，磁通量的變化率越大，線(xiàn)圈的匝數越多，產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢也就越大”的結論．在此定性實(shí)驗的基礎上，教材中直接引出了法拉第電磁感應定律．顯然，上述方法省略了“E與n、Δ/Δt成正比關(guān)系:E=nΔ/Δt，E:感應電動(dòng)勢(V)，n:感應線(xiàn)圈匝數，Δ/Δt:磁通量的變化率”這一量化結論的實(shí)驗研究過(guò)程．由于采用手動(dòng)操作改變Δ/Δt，并且靈敏電流表的指針是瞬時(shí)晃動(dòng)的，實(shí)驗操作、觀(guān)察都存在一定的局限．本文用充磁器和可拆交流演示變壓器分別設計并實(shí)現電磁感應的.定性和定量實(shí)驗．充磁器結構簡(jiǎn)單，重量輕、操作方便，在物理實(shí)驗室中主要是為給條形磁鐵充磁，也可為U形磁鐵充磁，是學(xué)校實(shí)驗室中必備的器材，一種器材多種用途，它產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應強度比一般永久式磁鐵高許多，因此，可以用來(lái)定性地演示許多電磁學(xué)實(shí)驗，它是定性實(shí)驗電磁感應較好的方法．常見(jiàn)的定性實(shí)驗不能進(jìn)行進(jìn)一步的探究．利用可拆交流演示變壓器可以定量進(jìn)行試驗研究，通過(guò)反復實(shí)踐，設計出了驗證法拉第電磁感應定律的創(chuàng )新實(shí)驗方法．
1用充磁器實(shí)現電磁感應實(shí)驗設計
1．1充磁器
充磁器是一種快速飽和充磁設備，是一種多種用途器材，它的作用就是給磁鐵上磁，磁鐵在剛生產(chǎn)出來(lái)，并不具備磁性，必須通過(guò)充磁器充磁后才能帶磁．充磁器示意圖如圖1所示，由于充磁器結構上的原因，每次實(shí)驗通電時(shí)間一般不超過(guò)幾秒鐘，否則，升溫過(guò)快會(huì )損壞充磁器．
1．2用充磁器定性的演示法
拉第電磁感應定律(1)將合適的U形軟鐵棒套上事先繞上兩組不同匝數線(xiàn)圈的紙筒，線(xiàn)圈匝數分別為n1和n2(n2＞n1)，然后插入充磁孔內固定，如圖2所示，接通充磁器電源，可見(jiàn)連在匝數線(xiàn)圈為n2上的演示電表V2指針擺幅大些，說(shuō)明感應電動(dòng)勢和線(xiàn)圈匝數n成正比關(guān)系E∝n．(2)將合適軟鐵棒放入充磁孔內，讓連有演示電表V1(或V2)的線(xiàn)圈n1(或n2)分別快速、慢速穿入軟鐵棒，可見(jiàn)演示電表指針擺動(dòng)幅度大些、小些，說(shuō)明感應電動(dòng)勢與閉合線(xiàn)圈內磁通量的變化率成正比關(guān)系E∝Δ/Δt．
2用可拆交流演示變壓器設計電磁感應實(shí)驗
2．1實(shí)驗原理與實(shí)驗設計
根據變壓器的工作原理，當交流電通過(guò)原線(xiàn)圈n1時(shí)，閉合鐵芯中將產(chǎn)生峰值穩定交流變化的磁通量變化率Δ/Δt．如果水平移動(dòng)變壓器上端的橫鐵軛，鐵芯不再完全閉合，一部分磁感線(xiàn)外泄，使鐵芯中的Δ/Δt變小，如圖3所示．按照上述操作，可改變Δ/Δt的大�。舫閯�(dòng)橫鐵軛到某一固定位置不動(dòng)，此時(shí)的Δ/Δt比較穩定．
2．2實(shí)驗過(guò)程的實(shí)現
為了操作方便，將副線(xiàn)圈放在右手側，同時(shí)在實(shí)驗中注意安全，勿用身體接觸原線(xiàn)圈中的交流電，實(shí)驗過(guò)程如下:
2．2．1定性探究感應電動(dòng)勢E與磁通量變化率Δ/Δt之間的關(guān)系如圖3所示，將多用表V調至交流電壓10V檔，與4．5V小燈泡并聯(lián)，串接到副線(xiàn)圈n2，原線(xiàn)圈n1接入交流220V．當橫鐵軛完全閉合在鐵芯上時(shí)，多用表電壓檔測出副線(xiàn)圈中產(chǎn)生4．5V的感應電壓．將橫鐵軛從原線(xiàn)圈端向左緩慢地水平移動(dòng)，4．5V小燈泡逐漸變暗，當橫鐵軛移動(dòng)離鐵芯約4mm時(shí)，觀(guān)察電壓讀數降到3V左右．利用上述直觀(guān)的現象，通過(guò)思考該現象產(chǎn)生的原因并進(jìn)行分析驗證，可以得出結論:感應電動(dòng)勢E與橫鐵軛的水平移動(dòng)有關(guān)，橫鐵軛的移動(dòng)快慢不同，使磁通量變化快慢不同，產(chǎn)生的電動(dòng)勢大小也不同．磁通量變化快慢類(lèi)比于速度變化快慢，用Δ/Δt表示，電動(dòng)勢大小與Δ/Δt有關(guān)，Δ/Δt越小(大)，E越小(大)．
2．2．2定量探究感應電動(dòng)勢E與匝數n的正比關(guān)系去掉副線(xiàn)圈，換上長(cháng)導線(xiàn)纏繞在鐵芯上替代副線(xiàn)圈，將導線(xiàn)兩端與小燈泡串接成閉合線(xiàn)路，并將多用表與小燈泡并聯(lián)．將橫鐵軛開(kāi)口距離調至約4mm后固定不變，開(kāi)始纏繞導線(xiàn)，由于在n2鐵芯上下位置不同，Δ/Δt略有差異，所以選擇在n2鐵芯下部的同一位置附近纏繞導線(xiàn)，隨著(zhù)纏繞在鐵芯上的線(xiàn)圈匝數增多，可觀(guān)察到小燈泡從不亮到亮的變化過(guò)程:在線(xiàn)圈繞到第6匝時(shí)，小燈泡微微發(fā)光;當線(xiàn)圈繞到25匝左右時(shí)，小燈泡已經(jīng)比較亮了．在繞線(xiàn)過(guò)程中，觀(guān)察多用表上交流電壓讀數，發(fā)現每多繞一匝導線(xiàn)，感應電動(dòng)勢約增大0．1V，可得出感應電動(dòng)勢E與匝數n的定量關(guān)系．同時(shí)觀(guān)察到:從鐵芯上逐漸解開(kāi)纏繞的導線(xiàn)到第4匝時(shí)，小燈泡仍微微發(fā)光，而在纏繞到第4匝時(shí)，小燈泡卻并不發(fā)光，說(shuō)明有自感作用．通過(guò)上述實(shí)驗，進(jìn)一步進(jìn)行分析探究:假設每一匝線(xiàn)圈內的磁通量的變化率為Δ1/Δt，對應產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢為E1，則每多繞一匝線(xiàn)圈，Δ/Δt就增大一個(gè)單位Δ1/Δt，線(xiàn)路中感應電動(dòng)勢也增大一個(gè)E1，由此得出量化的結論:電路中感應電動(dòng)勢的大小，跟磁通量的變化率成正比．即E∝Δ/Δt，E=kΔ/Δt(1)若E、ΔФ、Δt均取國際單位，上式中k=1，由此得出E=Δ/Δt(2)若閉合電路有n匝線(xiàn)圈，則E=nΔ/Δt(3)
3結束語(yǔ)
通過(guò)用充磁器和可拆交流演示小變壓器兩種簡(jiǎn)單的裝置創(chuàng )新設計的實(shí)驗和實(shí)踐，驗證了感應電動(dòng)勢與閉合線(xiàn)圈內磁通量的變化率和線(xiàn)圈匝數成正比關(guān)系．加深了對法拉第電磁感應定律的理解，熟悉了實(shí)驗器材的使用，有利于提高動(dòng)手能力、觀(guān)察能力和思維能力．也為電磁感應在實(shí)際生活中的應用提供了有效的借鑒意義．在實(shí)驗設計和實(shí)現過(guò)程中，得到我老師的大力支持和幫助，在此表示衷心感謝!
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