电磁感应现象及电流表实验探究VIP免费

电磁感应现象及电流表实验探究武汉市第一中学黄永江物理学是以实验为基础的科学。物理实验是物理学的重要内容。它是归纳物理规律、产生物理假说的实践基础，是验证物理规律的重要依据。在高中物理有关电磁感应的教学中，全日制普通高级中学教科书（试验修订本必修加选修）第二册第十七章是这样编排的，第一节“电磁感应现象”，通过教材P166图17—4，P167图17—5和图17—6所示的三个演示实验，总结出发生电磁感应的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化。教材第二节“法拉第电磁感应定律——感应电动势的大小”的内容中，在介绍了感应电动势的概念之后，为了引入和探讨法拉第电磁感应定律，有这样一段描述：“在图17—4所示的实验中，导体AB切割磁感线的速度越大，穿过闭合电路所围面积的磁通量的变化就越快，感应电流和感应电动势就越大。在图17-5的实验中，磁铁运动得越快，感应电流和感应电动势就越大。在图17—6的实验中，通电和断电时，比起逐渐改变电阻器的电阻时，A中电流变化得快，因而穿过B的磁通量变化得也快，B中的感应电流和感应电动势就大。”图17—4图17—5图17—6但在第一节的课堂教学中发生了这样一个有趣的现象，学生通过演示实验观察到的现象与上面的描述情况恰好相反：在图17—4所示的实验中，导体AB切割磁感线的速度越大，电流表指针最大偏转角度反而越小；在图17-5的实验中，磁铁运动得越快，电流表指针最大偏转角度反而越小；在图17—6的实验中，通电和断电时，比起逐渐改变电阻器的电阻时，电流表指针最大偏转角度反而较小。这一现象是否说明这时感应电流和感应电动势较小？是否与教材第二节的描述相矛盾？法拉第电磁感应定律的实践基础是否动摇了？带着这一问题，高二物理备课组的几位老师组织学生开展广泛的讨论。首先从实验如手，探究电流表指针偏转角度跟哪些因素有关。我们将学生分成A、B、C三组依次完成图17—4、图17—5、图17—6所示实验。完成图17—4所示实验时，A组同学操作导体AB切割磁感线的速度尽可能大（可达到1m/s以上），C组同学操作速度适当放慢(0.1m/s左右)，B组同学操作速度适当加快（0.5m/s左右），比较A、B、C三组实验现象，发现电流表指针最大偏转角度从大到小依次是B组、C组、A组。为什么A组同学操作速度最大，电流表指针最大偏转角度反而最小呢？同学们经过多次实验，反复观察，分析比较，发现课堂上演示电流表的指针有一定的质量，具有惯性，其偏转角度不仅跟电流大小有关，而且跟通电时间有关，A组同学操作速度最大，虽然得到较大的感应电动势和感应电流，但AB导体很快离开磁场，发生电磁感应现象的持续时间很短，即电流表的通电时间很短，只有0.1s左右，电流表指针还来不及偏转到较大角度通电时间已经结束，指针回摆，因而指针最大偏转角较小。只有在电流表指针来得及动作的时间范围内，才有导体AB切割磁感线的速度越大，感应电动势和感应电流越大的关系，B、C两组实验现象就是如此。按照相同的思路，A、B、C三组同学对图17-5所示实验进行探究，得出与上述相似的解释和结论。在对图17—6所示实验的探究中，A组同学观察通电和断电时的情况，B组同学尽快调节滑动变阻器的滑片，C组同学适当放慢调节滑片的速度，比较A、B、C三组实验现象，发现电流表指针最大偏转角度从大到小依次是C组、B组、A组。A组实验中，虽然线圈A中电流变化最快，穿过线圈B的磁通量变化得也最快，但穿过线圈B的磁通量变化持续的时间最短，即线圈B中感应电动势和感应电流最大，感应电流持续的时间最短。分析比较B、C两组实验现象，虽然B组实验线圈B中感应电动势和感应电流较大，但感应电流持续的时间较短，由于电流表指针的惯性，电流表指针偏转角度反而较小。由以上探讨，同学们对电流表指针偏转角度问题又产生了新的思考。思考一：电流表指针偏转角度跟那些因素有关？要回答这个问题，必须从电流表的结构和工作原理说起。实验中通常使用的电流表是磁电式仪表。这种电流表的构造如图甲所示，在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋型弹簧和一个指针。线圈的两端...