电磁感应现象及电流表实验探究

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1、电磁感应现象及电流表实验探究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。在高中物理相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174，P167图175和图176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174所示的实验中，导体AB切割磁感线的速

2、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176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174 图175 图176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174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176的实验中，通电

3、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。这个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？带着这个问题，高二物理备课组的几位老师组织学生展开广泛的讨论。首先从实验如手，探究电流表指针偏转角度跟哪些因素相关。我们将学生分成A、B、C三组依次完成图174、图175、图176所示实验。完成图174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

4、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，其偏转角度不但跟电流大小相关，而且跟通电时间相关，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

5、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所示实验实行探究，得出与上述相似的解释和结论。在对图176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，因

6、为电流表指针的惯性，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相关？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，铁芯外面套有一个能够绕轴转动的铝框，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。线圈的两端分别接在这两个螺旋型弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈。 图甲 图乙同学们对照演示电流表实物和教材相关章节对电流表的结构和工作原理实行研究，广泛展开探讨，初步理解到电流表指针偏

7、转角度由电流大小、量程、通电时间等综合因素决定。当用同一只电流表的同一量程测不同的持续电流时，线圈上跟铁柱轴线平行的两边都受到安培力（如图乙所示），这两个力产生的力矩使线圈发生转动。线圈转动时，螺旋型弹簧被扭动，产生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈转动角度的增大而增大。当这种阻碍线圈转动的力矩增大到同安培力产生的使线圈发生转动的力矩相平衡时，线圈停止转动。指针最后静止在线圈所受安培力矩与螺旋型弹簧的转动力矩平衡的位置，线圈中电流越大，线圈所受安培力及安培力矩越大，与之平衡的螺旋型弹簧的转动力矩也越大，螺旋型弹簧的形变也越大，指针偏转角度不就越大，因此指针偏转角度由电流大小决定；当用同一只电

8、流表的不同量程测相同持续电流时，要考虑用不同量程时并联在表头上的分流电阻分流的大小及流过表头的电流大小，电流表的量程越大，分流电阻分去的电流越大，流过表头的电流越小，指针偏转角度越小。当用电流表测瞬时电流时，指针偏转角度是变化的由零变到最大再回到零，最大偏转角度由电流大小I和通电时间t共同决定。电流I越大，线圈所受安培力F越大，但安培力作用于线圈的冲量Ft不仅与安培力F有关，而且与通电时间t有关，Ft乘积的大小决定了线圈由安培力的冲量所获得的动量大小，进而对电流表指针偏转的最大角度产生影响。综上所述，不能单纯依据电流表指针偏转的最大角度判定瞬时电流的大小。思考二：怎样才能使电流表测瞬时电流时，

9、指针指示出的最大偏转角度与瞬时电流的大小一致？同学们经过探讨，发现电流表测瞬时电流时，指针指示出的最大偏转角度与瞬时电流的大小不一致的原因，是电流表指针有一定的质量，具有惯性。要解决这一问题，就必须减小电流表指针的质量，从而减小惯性。许多同学提出了大胆的设想和很好的建议：可以选择密度小的材料做指针，指针的形状可以做得薄一些，为了便于观察，指针要具有适当的长度和宽度；有的同学上网查询，建议使用数显电流表或者光电指示灯式电流表，这类电流表没有指针，也就避免了因指针惯性影响观察和读数。思考三：当观察到的实验现象与相关的物理概念和规律不一致，甚至相矛盾时，怎么办？同学们首先通过已探讨过的电流表测感应电

10、流的实验得到启示，电流表指针的偏转情况已不仅仅是由感应电流大小决定，而且与电流表的结构、通电时间及电流表的量程等因素有关。可见，不同物理现象都有各自的规律。在教学中要充分理解各种物理现象所揭示的物理问题，深入认识和理解物理规律。物理现象千变万化，错综复杂。物理现象和过程之间存在着各种联系，在这种联系中，有的是本质的、必然的联系；有的是非本质的偶然的联系；也有的实际上是完全无关的。因此，在教学中，要引导学生从形形色色的联系中，排除各种非本质的联系，把现象的本质显露出来，透过表面现象，抓住它的本质。对于物理实验现象，先要弄清实验器材的结构和原理，明确观察到的物理现象与那些因素有关，区分与相关的物理

11、概念和规律有联系或无联系的因素，再综合分析，做出正确的判断。物理现象十分广泛，如声现象、热现象、光的反射现象、光的折射现象、全反射现象、惯性现象、静电感应现象、磁现象、电磁感应现象等等。面对多种多样、千变万化的物理现象，学生们怀有好奇心和神秘感，觉得一个个物理现象是一个个的谜，总想把它解开。物理学家正是从这些物理现象入手，去研究、探索这些物理现象的本质，逐步建立物理概念，发现物理规律去解释这些物理现象。各种物理现象都是在一定条件下产生的，因此在教学中应充分了解和认识各种物理现象产生的条件。某一个物理现象是随着条件的变化而变化的，更应引起注意。同学们通过实验探究活动，经过广泛讨论和深入思考，进一步认识了电磁感应现象，加深了对法拉第电磁感应定律的理解，初步尝试了研究物理问题的方法，明白了遇到问题不能武断下结论，要经过深入细致的研究，找到问题的真正原因。只有运用物理规律去解释各种物理现象，才能认清物理现象的本质，理解物理概念和掌握物理规律。参考资料：1 全日制普通高级中学（试验修订本 必修加选修）物理第二册教科书；2 全日制普通高级中学（试验修订本 必修加选修）物理第二册教师教学用书；3 湖北省黄冈中学徐辉文怎样上好物理现象课。