直接歸納出法拉第電磁感應定律的演示實驗

　　法拉第電磁感應定律是高中物理教學的重要內容，它既是教學的重點，也是教學的難點。教學中一直缺乏能夠直接歸納得出電磁感應定律的教學實驗。教材上一般的說法是：“經過大量精確實驗總結出：電路中感應電動勢的大小，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定律，用公式表述是：，由于缺乏實驗基礎，因而使學生接受這個定律缺乏必要的感性認識；硬性地給出結論，會對培養學生的科學方法造成缺憾。為此，我們設計了一個實驗，用“動生電”的方法定量歸納出電磁感應定律：。

　　一、實驗原理

　　如圖1所示，如果一個匝數為n，寬度為l的線圈的一邊以速度v在磁感強度為B的勻強磁場中垂直于磁場做切割磁感線運動，則線圈中總的磁通量的變化率為。根據法拉第電磁感應定律，在線圈中生成的感應電動熱E為：

　　二、實驗與教學

　　1．實驗儀器

　　氣墊導軌，光電門，電腦通用計數器（MUJ－6B），永磁鐵，矩形線圈（約40匝），儲存示波器（TDSl002）。

　　其中要求永磁鐵的磁場其均勻部分的線度都不小于5cm，磁場強度最好大一些；矩形線圈的寬度l略小于磁場垂直于運動方向的均勻部分的寬度，長度較磁場平行于運動方向的均勻部分的長度短一些，以保證其可以完全在勻強磁場中運動；示波器可以存儲波形，具有測量游標，能對電壓、時間等物理量進行精確測量，還可以與計算機、投影儀連接。

　　2．實驗裝置（如圖2）

　　如圖2所示，把光電門與永磁鐵分別放置于氣墊導軌的兩側，使得他們的連線垂直于氣墊導軌；在氣墊導軌的滑塊一邊裝上擋光板，用光電門和電腦通用計時器（MUJ－6B）記錄滑塊的運動速度；在滑塊的另一邊裝上矩形線圈，使得線圈在運動的過程中垂直穿過均勻的磁場，磁場使用永磁鐵生成。線圈的兩端和儲存示波器（TDSl002）的一個Y方向輸入接口相接，記錄感應電動勢隨時間的變化關系，并儲存下其波形。

　　3．演示與教學

　　用手推動滑塊，讓矩形線圈隨滑塊在氣墊導軌上運動。用光電門和電腦通用計時器記錄當前滑塊的運動速度，用示波器記錄當前感應電動勢隨時間的變化關系，并儲存下其波形。示波器還可以與計算機、投影儀連接，將波形展現，使得全班同學都看得清楚。讓學生觀察線圈的運動狀態及位置，同時注意示波器上的波形變化。能觀察到線圈在完全沒有進入磁場前、完全在均勻磁場中運動、以及完全離開磁場以后的幾段時間內運動中磁通量不變，得到的掃描線是和零電平相當的水平線段。當線圈只有一個橫邊在磁場中運動的情況，即在磁通量增加（線圈進入磁場）和減少（線圈從磁場出來）兩個時候，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。）學生能清楚地看到在線圈中的磁通量沒有變化的各個情況下，都沒有感應電動勢產生，而在磁通量增加時和減少的情況下便都有電動勢產生，且在磁通量的兩種變化情況下，磁通量的變化方向相反，感應電動勢的方向也相反。此步實驗可以反復進行，既可以一次演示上述的全過程，也可以一段一段地進行演示，非常便于學生弄清產生感應電動勢的條件。

　　因為線圈是用盡可能細的漆包線繞成的，粘在輕的平直的紙板上，又因為示波器的輸入阻抗很大（>106Ω），也即電磁阻尼很小，所以滑塊在氣墊導軌上的運動可以看作勻速直線運動。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動的平均速度。

　　三、實驗結果

　　在學生通過實驗弄清楚生成感應電動勢的條件以后，可以進一步控制和改變線圈的運動速度，同時測量線圈的運動速度v及與此速度相對應的感應電動勢峰值差E1，則感應電動勢。將測量值列表（表1中列出我們實驗測得的數值），使學生看到感應電動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的直線（前面已知：無磁通量變化時感應電動勢為零）。對實驗數據用Excel軟件擬合，得出感應電動勢與速度的關系式為：

E=014002v–010081

線性相關系數：=019983

　　可見，Y軸的截距極小，參考前面的實驗可以略去。這里寫出擬合結果只是為了說明實驗的精確程度。在實際教學中，學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：

　　進一步測量磁場的磁感強度B、線圈的寬度l以及線圈的匝數n（實驗數值列于表2），及擬合得的關系式，代入（1）式計算，可得在實驗誤差范圍內取k=1，這就是要得出的法拉第電磁感應定律：（當然，可以進一步說明k=1是選取單位制時有意造成的。）

　　結論：這個實驗能夠在課堂上一步一步地演示，完整地歸納得出法拉第電磁感應定律，填補了中學教學的一個空白，對于學生學習這一重要定律和科學方法都有一定的作用。也可以在一定程度上作為學生的探究性學習課程。