1、基于L a b V I EW的多功能电磁感应实验仪庄瑷碧卢健婷梁瀚刘朝辉(华南师范大学物理与电信工程学院广东 广州 )袁杰(广东外语外贸大学实验中学广东 广州 )(收稿日期:)摘要:在已有的基于L a b V I EW定量探究法拉第电磁感应定律实验基础上,改进L a b V I EW的数据处理程序以减小误差,并加入图像和线性拟合功能,使复杂的物理过程得以直观呈现,在此基础上由单件教具走向积件教具,通过教具的拆分、重组,实现教具的多维性关键词:L a b V I EW;A r u d u i n o;电磁感应;楞次定律;法拉第电磁感应定律制作背景“楞次定律”和“法拉第电磁感应定律”是 普通高中物
2、理课程标准(年版)选择性必修模块中的“电磁感应及其应用”主题下的内容,也是高中物理电磁学专题的重点和难点知识传统实验装置难以完成电磁感应定律的定量实验,因此传统教学通常是通过定性实验,让学生观察磁通量变化快慢是影响感应电动势大小的主要因素,从而直接给出法拉第电磁感应定律及其公式缺乏定量实验的过渡,不利于学生的理解和掌握L a b V I EW能够可视化测量感应电动势这一暂态量,并对数据进行处理和显示文献利用L a b V I EW和A r d u i n o实现了对法拉第电磁感应定律的定量探究,该套装置使用电机带动磁铁在线圈上方匀速转动来产生感应电动势,通过控制线圈匝数、线圈与转轴距离、线圈面
3、积个因素来改变感应电动势,用A r d u i n o作为下位机采集电动势后,通过串口将数据传至L a b V I EW程序中,在L a b V I EW前面板设计了电压表实时显示测量结果本装置的改进及创新 L a b V I EW数据处理程序在文献 的实验装置中,只是把L a b V I EW作为数据显示工具,而实际上L a b V I EW还具有数据处理的功能本装置以减小实验误差为目的,对L a b V I EW的数据处理程序做了以下改进:第一,在L a b V I EW程序中加入噪声剔除环节,即在没有任何操作的情况下观察数据跳动的范围,只采用高于跳动阈值的数据;第二,将磁铁每一次转动扫过
4、线圈所产生的电动势累加后取平均值,以减小偶然误差 L a b V I EW前面板图像是表征物理规律的方式之一,用图像表征物理规律有利于学生精准把握各个物理量之间定量和定性的关系,使复杂的物理过程变得直观,丰富物理规律的形成过程,因此在L a b V I EW的用户界面中,除了原有的指针电压表和数字电压表,增加函数图像以直观显示感应电动势E与线圈匝数n、磁通量变化量、磁通量变化时间t的关系除此之外,增加线性拟合功能,体会最佳理论函数和实际测量值之间的差异以及科学处理数据的方法 从单件走向积件从积件化教具理论出发,制作红绿二极管部件,插入主板中可演示楞次定律,使得教具向多样性和多维性发展教具设计与
5、制作 制作材料A D 放大模块、二极管、钕铁硼磁铁 块(直 年第期物理通报物理实验教学径为 mm,厚度为 mm)、A r d u i n oUNO开发板、电机、学生电源、铜线若干、导线若干 演示楞次定律 积件式二极管部件将红绿二极管反向并联,为了现象更明显,将多个二极管并联起来形成一个体积较大的二极管,并制作成可拆卸的拔插式部件,演示楞次定律时,将该部件插入主板中,即可与主板上的B 线圈连接,如图所示,当磁铁扫过线圈时,红绿二极管先后发光图积件式红绿二极管部件 放大电路部分由于线圈产生的感应电流较小,不易使多个二极管发光,因此用A D 放大模块将线圈中产生的电信号放大,连接方式如图所示图A D
6、 放大模块连接方式 定量探究法拉第电磁感应定律实验 感应电动势产生系统感应电动势产生系统如图所示图感应电动势产生系统结构图学生电源与电机连接,打开电源开关,电机带动磁铁条转动,线圈中产生感应电动势根据法拉第电磁感应定律,感应电动势的大小为Ent()A、B、C组线圈分别对应线圈匝数n、磁通量变化量、磁通量变化时间t这个变量,通过控制变量法进行探究()探究E与n的关系A组线圈由 匝、匝、匝、匝、匝的个线圈组成,将这个线圈固定在半径相同的圆周上,启动电机带动磁铁条转动,保证磁通量变化时间相同,由于每个线圈面积相同,所以磁通量变化量也相同测量磁铁扫过不同匝数线圈时线圈的电压,从而探究电动势E与匝数n的
7、关系()探究E与t的关系B组线圈由个匝数和面积都相同的线圈组成,对应的块磁铁也相同,保证了磁通量变化量相同,将个线圈分别放在距离转轴不同的位置上,其半径分别为 c m、c m、c m、c m、c m,因此磁铁经过线圈的线速度不同,所以时间不同即tlvlr()式中l为转过的弧长,v为转动的线速度,r为转动的半径,为转动的角速度磁铁经过时转过的弧长可以认为近似相等,同轴转动角速度一样,所以t和转动半径r(即线圈中心到转轴中心的距离)成反比,因此可以探究电动势E与磁通量变化时间t的关系()探究E与的关系C组线圈由个长为 c m,宽分别为 c m、c m、c m、c m、c m的线圈组成,且线圈匝数相
8、同,将这个线圈固定在同一圆周上,由于线圈沿圆周方向均为 c m,支架上外侧磁铁经过线圈时间相同,即磁通量变化时间t相同,但宽度不同,所以线圈面积S不同,因此可用于探究电动势E和磁通量变化量之间的关系 感应电动势测量系统 年第期物理通报物理实验教学测量系统以A r d u i n oUNO开发板作为下位机采集数据,以L a b V I EW作为上位机对数据进行处理和显示,L a b V I EW程序设计如图所示,该程序对应的数据处理流程如图所示图L a b V I EW程序设计图图L a b V I EW数据处理流程图L a b V I EW实验界面如图所示,设计了指针式电压表、数字电压表以及电
9、动势E和相应变量之间的图像图L a bV I EW实验界面图实验装置演示楞次定律实验时,将红绿二极管部件插入主板中,如图所示,用慢镜头记录这一现象,在教学屏幕中播放,引导学生用楞次定律知识分析现象图积件式红绿二极管插入主板定量探究法拉第电磁感应定律时,计算机实时显示实验界面,将导线插入装置下方对应的不同线圈接线柱即可探究不同变量与电动势的关系,如图所示,再将计算机界面通过同屏技术显示在教学屏幕上,操作简单图实验装置实物图实验演示及现象分析 楞次定律演示实验将积件式二极管部件插入主板中,打开电源开 年第期物理通报物理实验教学关,磁铁条转动,当磁铁进入线圈时,绿色二极管发光;当磁铁离开线圈时,红色
10、二极管发光,实验效果如图所示由于二极管先后发光现象时间间隔较短,所以用手机慢镜头记录后在教学屏幕中播放根据二极管的发光情况,可以判断出线圈中感应电流的方向,从而判断出感应电流的磁场方向以及磁铁的极性图楞次定律演示实验效果图 定量探究法拉第电磁感应定律在计算机上启动L a b V I EW软件,打开该实验的V I文件,然后打开电源,点击“运行”按钮开始测量,待稳定运行后点击“关闭”按钮得到数据,点击“绘制拟合线”得到原始数据的最佳拟合直线,如图 所示,曲线为原始图线,直线为拟合后得到的图线探究E与n、t的关系时,将导线分别接入A、B、C组线圈对应的接线柱即可实验得到的结果如图 所示,可以得出感应
11、电动势与匝数、磁通量变化量和磁通量变化时间的正比关系图 探究E与n的关系图 探究E与t的关系图 探究E与的关系结束语L a b V I EW软件能够对测量的物理量实现可视化,这就为我们在实验教学中提供极大的便利我们可以根据讲授内容的需要,将该软件系统用于课堂,具有良好的教学效果制作积件化教具,两个实验均在主板上完成,并采用拔插式接线方式,节省课堂时间,提高教学效率此外,本装置除了显示数据所用的计算机外,制作成本低廉,具有较强的普适性参 考 文 献中华人民共和国教育部普通高中物理课程标准(年版 年修订)S北京:人民教育出版社,谷雅慧,黄恕伯普通高中教科书物理选择性必修第二册M北京:人民教育出版社,:黄琪莉,吴先球基于L a b V I EW改进法拉第电磁感应定律实验装置J物理实验,():胡博,邹建中利用A r d u i n o和L a b V I EW探究电磁感应定律J物理通报,():邵万年物理科学方法在高中物理课堂教学中的应用研究D重庆:西南大学,张军朋,许桂清中学物理课程与教学论M北京:北京大学出版社,:年第期物理通报物理实验教学
