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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 验证法拉第电磁感应定律的实验分析 作者：杨峻一 来源：《中国科技纵横》2017年第21期 摘 要：作为电磁学最基本和重要的一条定律，法拉第电磁感应定律跟变压器、电感元件及多种发电机的运作有着密切关系。在学习这一章节知识时，法拉第电磁感应定律是通过条形磁铁插入和拔出闭合线圈瞬间的灵敏电流计测试值得出实验结论。本文对验证法拉第电磁感应定律实验进行分析，望能够帮助更多的同学认清这一知识。 关键词：法拉第电磁感应定律；验证实验；分析 中图分类号：G633 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）21-0205-01 在学习物理电磁学内容时，绕不开的一个知识点就是法拉第电磁感应定律，这也是高考中的一个必考内容。在教科书中法拉第电磁感应定律是通过实验验证得出的，但由于实验验证具有一定的复杂性，很多同学在实验过程中易出现一些操作错误。为能够进一步改进实验，利用可拆交流演示变压器对法拉第电磁感应定律知识进行实验验证十分可行。 1 法拉第电磁感应定律实验概述 法拉第电磁感应定律是物理电磁学中里程碑似标志内容，这一理论最早是在1831年由著名物理学家法拉第提出，因此将其定义为法拉第电磁感应定律，但实际上得出E感=nΔΦ/Δt理论数据表达式的则是1845年和1846年由诺爱漫和韦伯通过理论分析总结得出。具体而言，在法拉第电磁感应定律中揭示了感应电动势与闭合线圈磁通量变化率及线圈数之间的关系。在高中物理教科书中，实验总结得出感应电动势产生条件后，就可以利用一个条形磁铁，让其在闭合的通电线圈之中进行插入和拔出，这个过程中串联一个灵敏电流计，并通过灵敏电流计的指针摆动情况，从而得出“在一个闭合通电线圈之中，磁通量越大，线圈匝数越多，感应电动势越大”这一结论[1]。通过教材中的实验过程可以发现，在教科书中省略了E感与n以及E感与ΔΦ/Δt关系的验证分析，同时教材实验采用的是手动插拔方式，并记录的是灵敏电流表产生的一个瞬时值，整个实验过程存在一定的弊端，因此实验效果并不理想，这也影响同学对于知识的认知理解。为帮助更多的同学认清这一知识，可以利用可拆交流演示变压器，经过多次实验操作，设计出下述法拉第电磁感应定律实验验证方法。 2 验证法拉第电磁感应定律的实验分析 2.1 实验器材及实验原理 在设计的法拉第电磁感应定律验证实验中，使用的实验器材为可拆交流演示变压器1个、多用电能表2台、低频信号发生器1台。而具体的实验原理总结如下：利用可拆交流演示变压器进行试验操作，当正弦交变电流通过原线圈时，在这个过程中可以控制原线圈中的电流有效龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 值不变。这样在i=Imsinωt时，就可以得出每一个时刻的ωt=（2n+1/4）π，并根据圆周角公式，进而得出ωt=（2n+3/4）π的半个圆周周期。在这个过程中可以控制铁芯的磁通量不会发生变化，这样也可以利用Δt=T/2与交变电流频率f之间成反比例关系，进而得出ΔΦ/Δt与交变电流频率f之间也具有反比的关系[2]。由此可以看出，在实验中低频信号发生器就是实验中的电源，原线圈之中的电流有效值可以直接用多用电流表进行测量，然后利用I=0.707Im的关系，将电流进行固定，这样就省去了以往实验中峰值测量引发的不必要麻烦。此外通过改变原有线圈中的交变电流频率f，就可以测出ΔΦ/Δt的具体数值。同时在两个多用电表之中，电表1测出的是正弦交变电流有效值，而电表2测出则是线圈两端的感应电动势有效值，这样可以省去测量示波器电动势峰值测试环节，因此此种实验原理更为简单一些。 2.2 实验验证过程 在验证实验中，实验操作过程可以从定量研究E感与ΔΦ/Δt关系和定量研究E感与n的正比关系两个方面进行分析。首先在定量研究E感与ΔΦ/Δt关系实验过程中，可以将电流表调节到200mA，交流电压调节至20V，实验中控制原电圈中的交变电流有效值。通常情况下，交变电流为了方便计算分析可以设置为100mA，而线圈只固定也可以以100为基准，将n1与n2分别设置为100和200。然后将低频信号发生器中的交变输出电流进行调整，并且将线圈两端产生的感应电动势E感与f分别进行记录，然后利用EXCEL表格将测出的多组数据绘制成表，如第一次测得E感=0.62、f=20，第二次测得E感=0.93、f=30，第三次测得E感=1.25、f=40，测量记录十次左右[3]。通过上数据分析可以发现，感应电动势E感与交变电流频率f之间存在一种正比关系，在原线圈中的电流有效值保持不变的情况下，ΔΦ/Δt与交变电流频率f之间则表示为反比关系，因此定量研究E感与ΔΦ/Δt关系，就可以得出这一结论，即E感与ΔΦ/Δt成反比。 其次在定量研究E感与n的正比关系的过程中，同样可以将电流表调节到200mA，将交流电压调节至20V，对原线圈中的交变电流有效值进行控制，可以将其设置为30mA，并将交变电流频率f设置为100Hz，然后将原线圈数量以100匝为基准进行实验。实验验证过程中，可以通过改变原线圈数量，记录不同n下，线圈两端的感应电动势E感的变化，并将相关数据统计成表格，记录在EXCEL文件之中。如得出了这样的数据，当n为200时，感应电动势E感为0.66，当n为400时，感应电动势E感为1.34，当n为600时，感应电动势E感为1.98，经过十组实验数据对比，在允许范围内，得出感应线圈匝数n与感应电动势E感之间，存在正比关系[4]。 2.3 实验结论分析 通过本次实验验证，得出了这样的实验结论，通过定量研究E感与ΔΦ/Δt关系和定量研究E感与n的正比关系，发现E感与ΔΦ/Δt成反比，同时在允许范围内，感应线圈匝数n与感应电动势E感之间，存在正比关系。因此在这一实验之中，通过定量验证方式及利用转换方式，可以将感应电动势E感与变电流频率f进行关系转化，从而在改变交流电频率的过程中，对法拉第电磁感应定律做出了验证，不仅得出了E感=nΔΦ/Δt得公式关系，同时还解决了测量感应龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 电动势E感的困难。此外经过总结，在应用此种实验方法进行法拉第电磁感应定律定量验证时，以下四个方面的问题需要注意。第一，在实验过程中，t为T的一半，也就是T/2，这个时间值并不是磁通量变化产生的瞬时值，而是一个平均值，同时在实验中每个测试周期的前半周期和后半周期之间的变化率其实是相差一个“-”号的，也就是一值为正，一值为负，但是两个时间值的绝对值相等，这是在实验中需要注意的地方。第二，在进行感应电动势E感与ΔΦ/Δt之间的定量关系研究时，在对原线圈中的交变电流频进行改变时，测得的电流值也会发生一定的变化。为了能够保证实验的准确性，在实验过程中必须要对低频信号发射器发射出的正弦波值振幅进行调整，将电流表中产生的电流值定义为I0。第三，在进行感应电动势E感与线圈数量n之间的比例关系研究时，要确保实验过程中原线圈感应电流值在一定范围内，同时产生的感应电动势E感在36V以内，不然易引发一些难以想象的安全隐患[4]。第四，在实验中进行数据分析处理时，最好选择有函数拟合的数据软件进行分析，从而在一次性函数拟合的过程中，得出相关实验结果，同时为了保证实验数据的准确性和客观性，要选取十组左右的数据进行分析，这样才能为实验成功做出保障。 3 结语 在进行高中物理电磁学内容学习时，法拉第电磁感应定律定量是一节重要的章节内容，同时也是近些年高考的必备考点，但在教材实验设计中，省略了E感与n以及E感与ΔΦ/Δt关系的验证分析，这对物理知识认知学习造成了一定的阻碍。通过多次研究实验，发现利用可拆交流演示变压器进行法拉第电磁感应定律定量实验效果更加突出，希望这能帮助到更多的同学。 参考文献 [1]彭钟樊，代伟，王丹，邹勤，王玉涵.法拉第电磁感应定律定量分析探究演示仪[J].物理实验，2017，37（05）：55-57. [2]吴迪男，吴祥志.法拉第电磁感应定律数字化实验仪[J].物理实验，2017，29（10）：20-22. [3]王滢.关于法拉第电磁感应定律和楞次定律实验的改进[J].中国现代教育装备，2016，（04）：97-98. [4]李长林，高守贵.利用可拆交流演示变压器验证法拉第电磁感应定律[J].物理实验，2014，（09）：36-37. 本文来源：https://www.dywdw.cn/653ed90ea517866fb84ae45c3b3567ec102ddcde.html
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2023-04-19
