实验专题研修

探究感应电动势的大小

组成人员：梁智荣，叶德龙，谢志强，许菁。高二（2）班
指导老师：徐园。

一、 实验目的：
学习了电磁感应现象之后，我们了解到产生电磁感应现象的条件是：穿过闭合回路的磁通量发生变化，其本质是产生了感应电动势。本实验通过电压传感器半定量的探究影响感应电动势大小的因素。为此，我们将对以下问题展开研究。
1、 磁铁穿过线圈所产生的感应电动势与磁铁穿过线圈所用的时间Δt有何关系？
2、 磁铁穿过线圈所产生的感应电动势与穿过线圈的磁铁多少（即磁通量的变化量Δφ）有何关系？
3、 磁铁穿过线圈所产生的感应电动势与所用的线圈匝数N多少有何关系？
4、 除此之外，是否与其他因素有关？

二、探究思路和方法
1、理论分析阶段：明确研究的目的和意义，为接下来的实验探究阶段确定研究方向。可具体分为以下几个步骤：
（1） 确定研究课题；
（2） 查阅文献资料；
（3） 设计研究方案，撰写开题报告。

2、实验探究阶段：通过一系列实验，结合组员间的讨论定下论文初稿，再通过指导老师的指导，进行补充修改。最后形成正式的研究报告、论文。具体分为以下步骤：
（1）进行实验探究，取得实验数据；我们计划用控制变量法进行探究。

① 改变磁铁穿过线圈的时间Δt ，
控制磁铁条数(一条)、螺线管匝数不变，改变磁铁下落高度（低 高），采集数据，探究感应电动势E与Dt间的关系；

② 变磁铁穿过线圈的磁通变化量Δφ
控制磁铁下落高度、螺线管匝数不变，改变磁铁条数（一条 两条），采集数据，探究感应电动势E与DF间的关系；

③改变线圈匝数N
控制磁铁下落高度、磁铁条数（一条）不变，改变螺线管匝数（一个 两个串联），采集数据，探究感应电动势E与N间的关系。

（2）整理、总结研究成果；
（3）撰写论文；
（4）成果展示。

三、实验过程与数据分析
1、实验器材
朗威DISLab、计算机、线圈若干、条形磁铁、铁架台、标尺、透明胶带、导线若干。
用电压传感器来探索E与Δφ 、 Δt 以及线圈匝数N的关系，设计表格，绘制图象，记录数据，对数据进行分析，最后进行讨论。

2、实验步骤：
（1）安装调试实验装置
①电压传感器接入数据采集器；
②把线圈水平固定在铁架台上，并连接电压传感器；
③打开"组合图线"，添加"电压-时间"图线，将采样频率设为"50Hz"。

（2）改变磁铁穿过线圈的时间Δt
1. 让条形磁铁从不同高度（先低后高）无初速度释放，自上而下穿过线圈；
2. 利用"图线控制"功能回放试验图线，由图象直接读出磁铁第一次穿过线圈时产生的感应电动势比第二次小（见图1）。分析可知：虽然两次通过线圈引发的磁通量变化Δφ 相同，但由于第二次穿过线圈的时间Δt 短（用鼠标右键功能，得出两次穿过线圈所用的时间分别是0.2421 s和0.2084 s）,即保持其它实验条件不变的情形下，磁铁穿过线圈的时间Δt 越小，产生感生电动势E越大。

（3）改变磁铁穿过线圈的磁通变化量Δφ
① 两个条磁铁极性相同的部分并排放在一起并用胶带粘牢，让条形磁铁从某一高度无初速度释放，自上而下穿过线圈。再换成一条磁铁，重复上述操作。

② 用"图线控制"功能回放实验图线，由图象直接读出磁铁第一次穿过线圈时产生的电动势大于第二次（见图2），分析可知：虽然磁铁两次通过线圈的时间Δt相同（分别是0.2018 s和0.2018 s）,但由于第一次穿过线圈引起的磁通变化量Δφ大, 产生的感生电动势也大。即保持其它实验条件不变的情形下，穿过线圈的磁通变化量Δφ越大，产生感生电动势E越大。

（4）改变线圈匝数N
① 条形磁铁从某一高度无初速度释放，自上而下穿过400匝线圈，保存图象（图3-1）。再换成800匝线圈，让磁铁在相同高度自上而下穿过线圈保存图象（图3-2）。
② 根据图象所示，发现图3-1的磁铁穿过线圈时产生的电动势比图3-2的电动势要小。分析可知：图3-1和3-2的磁铁通过线圈引发的磁通量变化量Δφ和时间磁通量Δt几乎相同（用鼠标右键功能，得出图象3-1穿过线圈所用的时间是0.3081和图象3-2穿过线圈所用的时间是0.3052），但由于图象3-2实验所用线圈匝数是图象3-1所用线圈匝数的两倍，即保持其它实验条件不变的情形下，线圈的匝数N越大，产生感生电动势E越大。

3、实验结论
综合以上探究结果可知，感应电动势和穿过线圈的磁通变化量Δφ、磁铁穿过线圈所用的时间Δt、线圈的匝数N有关。且穿过线圈的磁通变化量Δφ越大、磁铁穿过线圈所用的时间Δt越小、线圈的匝数N越大，产生的感应电动势E就越大。
可得：E∝N

四、教师点评
实验过程很完整，实验效果很好！建议你们设计一个表格，将影响感应电动势的诸多因素放进表格中，这样能更加清晰地发现它们之间的规律。

五、教师命题
如图所示是磁铁穿过线圈时通过电压传感器所得到的感应电动势随时间变化的图象，比较A、B两个区间电动势大小，并分析是什么因素导致了这种差异。