“用DIS传感器探究法拉第电磁感应定律”实验教学设计

时间：2024-06-03

夏煜明

摘要：利用DIS微电压传感器来探究法拉第电磁感应定律的实验教学设计，在教学过程中，对第2节的实验进行了改进，让学生不仅能够定性地探究感应电动势的产生条件，而且能够对法拉第电磁感应定律进行探究或验证。

关键词：DIS传感器；法拉第电磁感应；DIS探究实验

一、实验设计背景分析

（一）教材与学情分析

本节内容是针对人教版教材选修3-2第4章的第4节“法拉第电磁感应定律”的教学设计。法拉第电磁感应定律是高中物理电磁学部分的重要内容。《普通高中物理课程标准》对这一部分的要求是Ⅱ级，要求掌握法拉第电磁感应定律，能计算感应电动势的大小。教材上这部分只有定性的实验介绍，没有定量的实验验证，教材这部分的引入，主要是基于第2节的两个定性实验，然后，教材直接介绍公式和推导，这让学生在理解这部分内容的时候，特别是对公式E=nΔΦ/Δt中磁通量变化率以及与线圈匝数n的定量关系理解困难。因此，笔者希望通过利用DIS微电压传感器对第2节的实验进行改进，让学生不仅能够定性地探究感应电动势的产生条件，而且能够对法拉第电磁感应定律进行探究或验证，帮助学生理解公式。

（二）实验创新与改进

本实验对教材第2节模仿法拉第的实验进行了改进，在感应电路中用DIS微电压传感器代替电流计，用条形磁铁直接代替通电螺线管，并且增加了用单根和两根条形磁铁同时插入、抽出相同螺线圈，用一根条形磁铁以相同速度插入、抽出可调多匝线圈进行对比实验。

（三）实验原理

当通过闭合电路的磁通量改变时，闭合电路内会产生感应电动势。感应电动势的大小与闭合电路的线圈、磁通量的变化率成正比，即E=nΔΦ/Δt。若保持变化的时间一样，就要改变磁通量的变化量，来研究磁通量的变化量对感应电动势的影響。若保持磁通量的变化率一样，就要改变线圈的匝数，来研究线圈匝数对感应电动势的影响。

二、实验内容设计

（一）实验教学重、难点

重点：通过实验观察和实验探究，理解感应电动势的大小与闭合电路的线圈匝数、磁通量变化率的关系。

难点：感应电动势的大小与磁通量的变化率的关系。

（二）实验教学内容

本次实验包括两个探究实验。探究实验一：用两个完全相同的原线圈，一个内部放一根条形磁铁，另一个内部放两根条形磁铁，同时采集磁铁以相同的速度从两个线圈中拔出的感应电动势。改变磁铁拔出的速度，采集多组数据，比较两个感应电动势。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2，在实验误差范围内，可近似认为感应电动势E∝ΔΦ。

探究实验二：用一根条形磁铁穿过可调线圈，开始时选择2000匝，第二次选择4000匝。分别采集磁铁以相同的速度从两个线圈中拔出的感应电动势，采集多组数据，比较两个感应电动势。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2。在实验误差范围内，可近似认为感应电动势E∝n。

三、实验教学方法

本次实验教学中主要用到实验观察法、分析法、实验归纳法、讲授法。

四、实验教学过程

【引入课题】师：（多媒体展示）近年来，无线充电手机、无线充电汽车逐渐进入人们的视野，引起了大家的关注。那么无限充电的原理是什么呢？

【复习导入】师：（多媒体展示）第2节的模拟法拉第电磁感应定律的实验。

【提出问题】师：（多媒体展示）感应电动势的产生条件是否和感应电流产生的条件一样呢？

【猜想假设】（引导学生）猜想：闭合回路感应电动势大小可能与磁通量的变化、线圈的匝数有关。

【设计实验】（引导）生：在螺旋线的两端直接接电压表来测量感应电动势。（教师解释由于感应电动势较小，实验室的电压表不能直接测量出来，因此这里我们采用DIS微电压传感器代替传统的电压表进行测量。）

【实验探究】教师先进行演示实验，在进行实验时，可以边实验边给学生讲解一下DIS微电压传感器的原理和使用注意事项，然后引导学生进行分组实验探究，做好实验数据处理与记录。下列是两次实验的数据图表。

【分析讨论】教师引导学生对得出的实验图像进行分析，不同颜色代表不同的传感器测得的电压值。

从图1、图2中可以看出，二者的电压值近似为2倍。