資源簡(jiǎn)介

基于自制DIS系統(tǒng)的法拉第電磁感應(yīng)定律探究實(shí)驗(yàn)
一、使用教材：
人教版（2019）選擇性必修第二冊(cè)第二章第2節(jié)《法拉第電磁感應(yīng)定律》
二、教材分析及學(xué)情分析
法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的核心內(nèi)容。它既是本章的教學(xué)重點(diǎn)，也是教學(xué)難點(diǎn)。學(xué)生在必修三及本章第一節(jié)已學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用和楞次定律，認(rèn)識(shí)了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，能判斷感應(yīng)電流的方向，能從感應(yīng)電流的角度認(rèn)識(shí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，有了一些實(shí)驗(yàn)及物理方法基礎(chǔ)，如控制變量法、微分法、圖像處理數(shù)據(jù)的方法等。因?yàn)榻滩闹挥幸粋€(gè)“做一做”小實(shí)驗(yàn)（圖1），并且實(shí)驗(yàn)效果不理想甚至實(shí)驗(yàn)會(huì)失敗，導(dǎo)致無法創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理，加之為了增加時(shí)代性和更好激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣，及物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化的需要，所以我創(chuàng)新改進(jìn)了“做一做”實(shí)驗(yàn)為“基于自制DIS系統(tǒng)的法拉第電磁感應(yīng)定律探究實(shí)驗(yàn)”。
三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)：
（一）物理觀念
認(rèn)識(shí)磁通量的變化率、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其規(guī)律，能解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
（二）科學(xué)思維
通過質(zhì)疑創(chuàng)新、綜合分析、科學(xué)推理并得出解決方案。
（三）科學(xué)探究
（1）從原型實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、探究并創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；
（2）按照創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方案探究實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)并處理分析影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素，基于證據(jù)得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的規(guī)律，并進(jìn)行交流和反思。
（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
（1）培養(yǎng)敢于質(zhì)疑創(chuàng)新，不迷信課本、實(shí)事求是的科學(xué)精神；
（2）認(rèn)識(shí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)，應(yīng)用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。
四、實(shí)驗(yàn)器材：
自制DIS系統(tǒng)（樂鑫ESP32、ADS1115電流電壓傳感器+PhyPhox）（見圖1）、亞克力管（1m、0.5m）、支架含1m刻度尺（見圖5、6）、線圈1（300匝）、線圈2(共400匝、每100匝一個(gè)接線頭)（見圖3）、圓柱形強(qiáng)磁體一組4個(gè)（直徑為5、6、8、10mm）（見圖4）、自制整流及峰值緩存器（見圖2）、電壓表、導(dǎo)線等。
圖1 圖2 圖3 圖4
圖5 圖6
五、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)/改進(jìn)要點(diǎn)：
（一）采用自制數(shù)字化（DIS）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的電壓表改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)測(cè)量方式、便于記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、提高了測(cè)量的精確度；
（二）國(guó)產(chǎn)芯片樂鑫ESP32微處理器+Micropython代碼、聯(lián)合傳感器收集數(shù)據(jù)、通過藍(lán)牙連接智能手機(jī)，在App--Phyphox記錄和顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用計(jì)算機(jī)分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等多信息技術(shù)與高中物理的深度融合；
（三）其他實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)部分：
（1）增加支架和刻度尺，加強(qiáng)了透明管和線圈的穩(wěn)定性，方便測(cè)量強(qiáng)磁下落高度；
（2）強(qiáng)磁體使用了30mm長(zhǎng)度的圓柱體強(qiáng)磁體，避免磁體下落過程翻滾；
（3）采用了一組高度相同、直徑分別為5、6、8、10mm圓柱形強(qiáng)磁體，B相同，通過改變有效面積S來改變磁通量的變化ΔΦ；
（4）采用“自制緩存器”進(jìn)行整流及緩存峰值，讓自制DIS系統(tǒng)能采集感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值。
（四）將教材定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定量探究實(shí)驗(yàn)。
六、實(shí)驗(yàn)原理/實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：
讓磁體做自由落體運(yùn)動(dòng)穿過線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，用自制DIS系統(tǒng)+自制整流及峰值緩存器采集線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)脈沖信號(hào)中的峰值E（如圖7），利用控制變量法，控制不同的變量，分別通過改變磁體的下落高度來改變磁體在線圈中的瞬時(shí)速度v，從而改變磁體穿過對(duì)應(yīng)的某一位移Δx的時(shí)間Δt、利用高度相同橫截面直徑分別為5、6、8、10mm圓柱體磁體來改變?chǔ)う怠⒑透淖兙€圈的匝數(shù)n來探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值E與Δt、ΔΦ、n之間的關(guān)系、通過計(jì)算機(jī)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、再歸納總結(jié)出電磁感應(yīng)定律。
圖7
七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：
（一）導(dǎo)入新課演示實(shí)驗(yàn)：通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境、認(rèn)識(shí)感應(yīng)電流大小與磁通量的變化率有關(guān)；
（二）創(chuàng)設(shè)情境認(rèn)識(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的概念；
（三）通過教材“做一做”實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、提出質(zhì)疑、分析問題、創(chuàng)新改進(jìn)、解決問題、探究并創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；
（四）指導(dǎo)學(xué)生按改進(jìn)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案完成三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)填入表格，擬合圖像并分析、歸納決定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素，得出法拉第電磁感應(yīng)定律。
八、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程：
（一）引入實(shí)驗(yàn)：線圈與電流傳感器連接，形成一個(gè)閉合回路（見圖8），用一個(gè)小磁體“緩慢插入”和“快速拔出”在智能手機(jī)APP--Phyphox中得到（見圖9）感應(yīng)電流的脈沖信號(hào)圖像。
圖8 圖9
通過提問，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生思考并回答：
問：磁體“緩慢插入”和“快速拔出”有哪些物理量相同和不同？實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異？實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明什么問題？
答：磁通量的變化量相同ΔΦ=Φ1-Φ2，所用時(shí)間不同，使得兩次過程中的磁通量變化率不同。從圖中可見“緩慢插入”過程產(chǎn)生的脈沖形狀的感應(yīng)電流峰值較小，“快速拔出”過程產(chǎn)生的脈沖形狀的感應(yīng)電流峰值較大（見圖8）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：閉合線圈中磁通量變化率越大，感應(yīng)電流越大。
（二）引入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的概念：
圖10
通過類比（見圖10）甲、乙電路，知道乙電路中線圈等效電源，理解乙電路中開關(guān)斷開后，發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的線圈中存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（即便不是閉合回路）。引入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并提出問題：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與哪些因素有關(guān)呢？
探究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案
學(xué)生按教材“做一做”內(nèi)容選擇器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并思考問題。
圖11 教材中“做一做”實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置（見圖11）所示，線圈的兩端與電壓表相連。將強(qiáng)磁體從長(zhǎng)玻璃管上端由靜止下落，穿過線圈。分別使線圈距離上管口 20 cm 、30 cm、40 cm 和 50 cm，記錄電壓表的示數(shù)以及發(fā)生的現(xiàn)象。
問：本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是什么？你能猜想到會(huì)有什么結(jié)果嗎？
答：實(shí)驗(yàn)原理為利用控制變量法，使用同一磁體每次穿過同一線圈磁通量的變化量ΔΦ是相同，磁體下落高度越大，穿過線圈時(shí)磁體的速度v就越大，穿過線圈所用時(shí)間Δt越小，磁通量的變化率越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E越大。猜想磁體下落高度越大，電壓表示數(shù)就會(huì)越大。
問：通過實(shí)驗(yàn)，大家觀察到了什么現(xiàn)象？遇到了哪些困難？
答：觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為線圈距離上管口起始位置高度h增大后,得到電壓表示數(shù)減小（指針偏轉(zhuǎn)角度更小）了，這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)原理不相符。并且電磁式電壓表指針擺太快，不容易讀數(shù)。
問：為什么會(huì)出現(xiàn)以上現(xiàn)象？有什么辦法解決以上問題和困難嗎？（引導(dǎo)學(xué)生回顧磁電式電壓表的原理和構(gòu)造，結(jié)合前面引入實(shí)驗(yàn)中磁體穿過線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間脈沖式的感應(yīng)電流進(jìn)行分析）
答：教材實(shí)驗(yàn)方案不理想。分析原因可能出現(xiàn)在測(cè)量環(huán)節(jié)，隨著下落高度增加，強(qiáng)磁體通過線圈的速度增大，穿過線圈的時(shí)間變短，瞬時(shí)的脈沖感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化非常快，并且在短時(shí)間內(nèi)還改變了一次方向，隨后還有一個(gè)反向的脈沖。磁電式電壓（流）表中的線圈受安培力帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)和使螺旋彈簧形變并到達(dá)新的平衡狀態(tài)需要時(shí)間，對(duì)于這類變化很快的電壓（電流），磁電式電壓（流）表無法及時(shí)顯示出瞬間變化的電壓（電流）的峰值，不適合用傳統(tǒng)的電壓表測(cè)量瞬間變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
師：鼓勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑，并嘗試創(chuàng)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，使用傳感器來測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
（因?qū)W校條件薄弱，沒有成品傳感器設(shè)備，另外考慮到物理實(shí)驗(yàn)與信息技術(shù)的融合，這里老師采用了自制DIS系統(tǒng)（國(guó)產(chǎn)芯片樂鑫ESP32微處理器+Micropython代碼、聯(lián)合傳感器收集數(shù)據(jù)、通過藍(lán)牙連接智能手機(jī)，在App--Phyphox記錄和顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）（見圖1），鼓勵(lì)學(xué)生換用自制DIS系統(tǒng)再進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)。
問：大家實(shí)驗(yàn)中是否再次遇到了困難？具體是什么困難？可能是由什么原因引起？
答：是的，磁體從同一高度下落，傳感器采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值不同，并且大小、方向都是隨機(jī)的數(shù)值。（老師分析提示，可能是傳感器采集發(fā)送數(shù)據(jù)頻率不夠快，采集到的數(shù)據(jù)是脈沖信號(hào)的隨機(jī)的不同時(shí)刻的數(shù)值，并且與峰值無關(guān)）。
問：有什么辦法能將瞬間變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值延緩變化，來協(xié)助自制DIS傳感器采集數(shù)據(jù)呢？（老師通過啟發(fā)式介紹利用二極管和小電容串聯(lián)組成“自制整流及峰值緩存器”來試試，每個(gè)磁極經(jīng)過線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，我們只取磁極下端對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過二極管整流去掉另外反向一半，避免其帶來的影響，使得感應(yīng)電流正向通過二極管給小電容充電，極短時(shí)間完成充電，由于二極管反向電阻很大，延長(zhǎng)了放電時(shí)間，變化延緩有利于測(cè)量電壓峰值。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用肖特基二極管和1uF組合的效果比較理想）。這樣一來，使用自制的“整流及峰值緩存器”可以有效協(xié)助自制DIS傳感器來采集感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值數(shù)據(jù)，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。
師：通過探究和解決以上問題，同學(xué)們根據(jù)提供的器材，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。
（四）創(chuàng)新的探究實(shí)驗(yàn)：
（1）實(shí)驗(yàn)探究一：探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化時(shí)間的關(guān)系。
1）連接自制DIS系統(tǒng)、自制的整流及峰值緩存器和線圈，并將線圈套在支架的亞克力管上。
2）（選擇同一個(gè)線圈和同一圓柱形磁體）控制線圈匝數(shù)n和磁通量的變化量ΔΦ保持不變。
3）通過改變線圈的位置來改變磁體下落高度h，從而改變磁體穿過線圈的時(shí)間Δt，并記錄每次實(shí)驗(yàn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。讓線圈中心對(duì)應(yīng)位置離磁體開始位置高度h為10cm開始下落完成實(shí)驗(yàn)，之后每次增加10cm，一直增加至90cm，得到9組數(shù)據(jù)。
圖12
4）讀出Phyphox感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值，填入表格（見表1），根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與下落高度h的關(guān)系曲線。
實(shí)驗(yàn)次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
高度h(cm) 10 20 30 40 50 60 70 80 90
高度平方根 3.16 4.47 5.48 6.32 7.07 7.75 8.37 8.94 9.49
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E(V) 1.15 1.63 2.01 2.31 2.65 2.91 3.16 3.35 3.59
表1
圖13 E-h圖像
擬合E與高度的圖像有點(diǎn)類似拋物線，化曲為直，擬合E與高度的平方根圖像。
圖14 E-圖像
由圖像可知E-為正比例函數(shù)，由于磁體可看做自由落體，v∝，穿過線圈的Δt∝，可以推導(dǎo)出：E∝
（2）實(shí)驗(yàn)探究二：探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化的關(guān)系。
1）（選擇同一個(gè)線圈和線圈所處位置不變）控制線圈匝數(shù)n和磁體下落高度h（Δt）保持不變。
2）分別選取4個(gè)高度相同，直徑D分別為5、6、8、10mm的磁體改變?chǔ)う祦磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)（ΔΦ≈BS，S∝D2，B相同，所以ΔΦ∝D2）。
3）測(cè)量每個(gè)磁體在線圈中穿過產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E峰值，并記錄結(jié)果。
4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量的變化量ΔΦ的關(guān)系曲線。
實(shí)驗(yàn)次數(shù) 磁體直徑D（mm） 磁體橫截面積S（mm2） 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E（V）
1 5 78.5 0.73
2 6 113.04 1.17
3 8 200.96 2.19
4 10 314 3.36
表2
圖15 E-S圖像
由圖像可知E-S為正比例函數(shù)，Ｅ∝S，B相同，磁體穿過線圈時(shí)磁通量的變化ΔΦ∝S，可以推導(dǎo)出：Ｅ∝ΔΦ
（3）實(shí)驗(yàn)探究三：探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈匝數(shù)的關(guān)系
1）（固定線圈在同一位置和選用同一圓柱形磁體）控制磁體下落高度h(Δt)和ΔΦ保持不變。
2）改變線圈的匝數(shù)n，測(cè)量每個(gè)不同匝數(shù)下線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E峰值，并記錄結(jié)果。
3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈匝數(shù)n的關(guān)系曲線。
實(shí)驗(yàn)次數(shù) 線圈匝數(shù)n 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E（V）
1 100 0.96
2 200 1.96
3 300 3.07
4 400 4.12
表3
圖16 E-n圖像
由圖像可知E-n為正比例函數(shù)，可以得到：Ｅ∝n
（4）得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
讓學(xué)生通過綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比三個(gè)實(shí)驗(yàn)，得到：
E∝ 或 E=k
當(dāng)取適當(dāng)?shù)膯挝粫r(shí) ：E=，當(dāng)線圈n=1匝時(shí)：得到電磁感應(yīng)定律表達(dá)式：E=。
需要注意：在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，確保磁體每次從同一位置下落，并且調(diào)節(jié)線路連接、磁體向下的磁極、二極管整流等方面因素，確保我們采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值E為磁體朝下的一極穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（因?yàn)橄侣涓叨萮的測(cè)量對(duì)象為磁體朝下的一極），并且E值不宜過大，以免損壞ADS1115模塊，透明管下端增加緩沖物裝置，保護(hù)磁體。
引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤差分析;
磁體下落過程可能與管內(nèi)壁接觸，空氣阻力及摩擦阻力會(huì)引起偶然誤差，可采用多測(cè)幾次求平均值的方式來減小誤差；
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值測(cè)量時(shí)，由于二極管正向壓降、藍(lán)牙采集傳輸數(shù)據(jù)的頻率、速度限制等因素引起的系統(tǒng)誤差；
組織各小組對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示、交流、評(píng)價(jià)。
實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)：
（一）實(shí)驗(yàn)采用了自制DIS系統(tǒng)，利用了智能手機(jī)等現(xiàn)代信息技術(shù)，較傳統(tǒng)電表更能激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣；
（二）原教材“做一做”原實(shí)驗(yàn)的不理想，本方案能很好地探究法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)，能很好完成教學(xué)目標(biāo)；
（三）原教材定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定量探究實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很理想；
（四）對(duì)比原教材實(shí)驗(yàn)，本方案穩(wěn)定、精度高，便捷易操作，可視化效果好。
（五）實(shí)驗(yàn)自制器材成本低、容易獲得、適合農(nóng)村條件薄弱學(xué)校推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
1 中華人民共和國(guó)教育部．普通高中教科書物理選擇性必修２［Ｍ］．北京：人民教育出版社，2019．
２ 課程教材研究所．普通高中教科書物理選擇性必修２教師教學(xué)用書［Ｍ］．北京：人民教育出版社，2019
3 中華人民共和國(guó)教育部．物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［Ｍ］．北京：人民教育出版社，2019．

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