利用可拆交流演示变压器验证法拉第电磁感应定律的实验设计
作者：高守贵
教学仪器与实验 2005年05期
法拉第电磁感应定律是电磁学中的一个重要内容，它揭示了感应电动势ε[，感]与闭合线圈内磁通量的变化率Δφ/Δt、线圈匝数n所成的正比关系：ε[，感]=nΔφ/Δt。在实验总结出感应电流、感应电动势产生的条件后，教材中通过用条形磁铁插入、拔出串接了灵敏电流表的闭合线圈实验，分析插、拔磁铁的快慢与灵敏电流表指针摆动的幅度关系，得出“闭合线路内，磁通量的变化率越大，线圈的匝数越多，产生的感应电动势也就越大”的结论。在此定性实验的基础上，教材中直接引出了法拉第电磁感应定律。很显然，上述方法省略了“ε[，感]与n、Δφ/Δt‘成正比’”这一量化结论的实验研究过程。由于采用手动操作改变Δφ/Δt，并且灵敏电流表的指针是瞬时晃动的，实验操作、观察都存在一定的局限，通常的实验也不能进行进一步的探究。在学习完成交流电、变压器等知识后，笔者利用可拆交流演示变压器，通过反复实践，设计出验证法拉第电磁感应定律的实验办法。
一、实验器材
可拆交流演示变压器1个，多用表1只，小灯座1个，3.8V小灯泡1只，长约3m的导线1根，220V交流电源。
二、实验原理
根据变压器工作原理，当交流电通过原线圈时，铁芯中将产生峰值稳定、交流变化的Δφ/Δt。如果水平抽动变压器上端的横轭，铁芯不再完全闭合，部分磁感线外泄，造成铁芯中的Δφ/Δt变小（图1）。依照上述操作，便可改变Δφ/Δt的大小。若抽动横轭到某一固定位置，就能获得比较稳定的Δφ/Δt。
图1
三、实验过程
1.定性研究ε[，感]与Δφ/Δt之间的关系
将多用表调至交流电压10V档，与小灯泡并联，共同串接到副线圈3V档，原线圈接入220V交流电。当横轭完全闭合在铁芯上时，电压表测出副线圈中产生3V的感应电流。将横轭从原线圈端向外缓慢地水平抽动，小灯泡逐渐变暗，当横轭抽离铁芯约3mm时（图2），可以观察电压读数已经降到2V左右。利用上述直观的现象，引发学生思考该现象产生的原因，通过分析，可知ε[，感]与横轭的水平抽动有关，即变小的ε[，感]与n、Δφ/Δt有关，从而得出定性结论：Δφ/Δt越小（大），ε[，感]越小（大）。
图2
2.定量研究ε[，感]与n的正比关系
除去副线圈，换上长导线缠绕在铁芯上代替副线圈，并将导线两端与小灯泡串接成闭合线路，同时将多用表与小灯泡并联。将横轭开口距离调至3mm左右。随着缠绕在铁芯上的线圈匝数增多，可以观察到小灯泡从不亮到亮的变化过程：在绕到第4匝时，灯丝微微发光；当线圈绕到20匝左右，小灯泡已经比较亮了。在绕线过程中，观察多用表上交流电压读数，发现每多绕一匝导线，感应电动势约增大0.1V，可得出ε[，感]与n的定量关系。
通过上述实验，进一步进行分析探究：假设每一匝线圈内的磁通量的变化率为Δφ/Δt，对应产生的感应电动势为ε[，0]，则每多绕一匝线圈，整个闭合线路所围的Δφ/Δt就增大一个单位Δφ/Δt，线路中感应电动势也增大一个ε[，0]，由此得出量化的结论——法拉第电磁感应定律。
3.补充说明
（1）为了操作方便，通常将副线圈摆放在操作者右手边，同时在实验中注意安全用电，勿用身体接触原线圈中的交流电。
（2）缠绕导线时，开口处的铁芯内上、下不同的位置，Δφ/Δt有所差异，应尽量使导线绕在铁芯下部的同一位置附近。
（3）由于自感作用，从铁芯上逐渐解开缠绕的导线到第3匝时，小灯泡仍然微微发光，而在缠绕到第3匝时，小灯泡却并不发光。
通过上述简单直观的实验验证，既有利于加深学生对法拉第电磁感应定律的理解，又有利于提高学生的观察、思维等能力，更有利于激发学生进行科学探究的兴趣，培养深入钻研的科学精神。
作者介绍：作者单位：安徽合肥幼儿师范学校，241000