【物理 】基于自制DIS系統(tǒng)進(jìn)行法拉第電磁感應(yīng)定律探究實(shí)驗(yàn)

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(wú)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(guò)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)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(wèn)題。四、實(shí)驗(yàn)器材：自制DIS系統(tǒng)（樂(lè)鑫ESP32、ADS1115電流電壓傳感器+PhyPhox）（見(jiàn)圖1）、亞克力管（1m、0.5m）、支架含1m刻度尺（見(jiàn)圖5、6）、線圈1（300匝）、線圈2(共400匝、每100匝一個(gè)接線頭)（見(jiàn)圖3）、圓柱形強(qiáng)磁體一組4個(gè)（直徑為5、6、8、10mm）（見(jiàn)圖4）、自制整流及峰值緩存器（見(jiàn)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(lè)鑫ESP32微處理器+Micropython代碼、聯(lián)合傳感器收集數(shù)據(jù)、通過(guò)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(guò)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(guò)改變有效面積S來(lái)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(guò)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(guò)改變磁體的下落高度來(lái)改變磁體在線圈中的瞬時(shí)速度v，從而改變磁體穿過(guò)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(lái)改變?chǔ)う?、和改變線圈的匝數(shù)n來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題、創(chuàng)新改進(jìn)、解決問(wèn)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)圖9）感應(yīng)電流的脈沖信號(hào)圖像。圖8圖9通過(guò)提問(wèn)，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生思考并回答：?jiǎn)枺捍朋w“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(shuō)明什么問(wèn)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(guò)程中的磁通量變化率不同。從圖中可見(jiàn)“緩慢插入”過(guò)程產(chǎn)生的脈沖形狀的感應(yīng)電流峰值較小，“快速拔出”過(guò)程產(chǎn)生的脈沖形狀的感應(yīng)電流峰值較大（見(jiàn)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(guò)類比（見(jiàn)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(wèn)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(wèn)題。圖11教材中“做一做”實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)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(guò)線圈。分別使線圈距離上管口20cm、30cm、40cm和50cm，記錄電壓表的示數(shù)以及發(fā)生的現(xiàn)象。問(wèn)：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(guò)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(guò)線圈時(shí)磁體的速度v就越大，穿過(guò)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(wèn)：通過(guò)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?。ㄖ羔樒D(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(wèn)：為什么會(huì)出現(xiàn)以上現(xiàn)象？有什么辦法解決以上問(wèn)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(guò)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(guò)線圈的速度增大，穿過(guò)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?？?，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(wú)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(lái)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（因?qū)W校條件薄弱，沒(méi)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(lè)鑫ESP32微處理器+Micropython代碼、聯(lián)合傳感器收集數(shù)據(jù)、通過(guò)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(jiàn)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(wèn)：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(wú)關(guān)）。問(wèn)：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(lái)協(xié)助自制DIS傳感器采集數(shù)據(jù)呢？（老師通過(guò)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(lái)試試，每個(gè)磁極經(jīng)過(guò)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(guò)二極管整流去掉另外反向一半，避免其帶來(lái)的影響，使得感應(yīng)電流正向通過(guò)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(guò)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(lái)，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(lái)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(guò)探究和解決以上問(wèn)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(guò)改變線圈的位置來(lái)改變磁體下落高度h，從而改變磁體穿過(guò)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(kāi)始位置高度h為10cm開(kāi)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124）讀出Phyphox感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值，填入表格（見(jiàn)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)123456789高度h(cm)102030405060708090高度平方根?3.164.475.486.327.077.758.378.949.49感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E(V)1.151.632.012.312.652.913.163.353.59表1圖13E-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14E-?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(guò)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?lái)進(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(guò)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）1578.50.7326113.041.1738200.962.194103143.36表2圖15E-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(guò)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）11000.9622001.9633003.0744004.12表3圖16E-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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)減小誤差；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值測(cè)量時(shí)，