基于自制DIS系统进行法拉第电磁感应定律探究实验设计

基于自制DIS系统的法拉第电磁感应定律探究实验 一、使用教材： 人教版（2019）选择性必修第二册第二章第2节《法拉第电磁感应定律》 二、教材分析及学情分析 法拉第电磁感应定律是电磁学的核心内容。它既是本章的教学重点，也是教学难点。学生在必修三及本章第一节已学习了电磁感应现象及其应用和楞次定律，认识了感应电流的产生条件，能判断感应电流的方向，能从感应电流的角度认识电磁感应现象，有了一些实验及物理方法基础，如控制变量法、微分法、图像处理数据的方法等。因为教材只有一个“做一做”小实验（图1），并且实验效果不理想甚至实验会失败，导致无法创设情境引导学生进行科学推理，加之为了增加时代性和更好激发学生实验的兴趣，及物理实验数字化的需要，所以我创新改进了“做一做”实验为“基于自制DIS系统的法拉第电磁感应定律探究实验”。 三、实验教学目标： （一）物理观念 认识磁通量的变化率、感应电动势及其规律，能解释电磁感应现象。 （二）科学思维 通过质疑创新、综合分析、科学推理并得出解决方案。 （三）科学探究 （1）从原型实验过程中发现问题、分析问题、探究并创新设计实验方案； （2）按照创新的实验方案探究实验获取数据并处理分析影响感应电动势大小的因素，基于证据得出感应电动势的规律，并进行交流和反思。 （四）科学态度与责任 （1）培养敢于质疑创新，不迷信课本、实事求是的科学精神； （2）认识电磁感应现象的本质，应用科学知识解决实际问题。 四、实验器材： 自制DIS系统（乐鑫ESP32、ADS1115电流电压传感器+PhyPhox）（见图1）、亚克力管（1m、0.5m）、支架含1m刻度尺（见图5、6）、线圈1（300匝）、线圈2(共400匝、每100匝一个接线头)（见图3）、圆柱形强磁体一组4个（直径为5、6、8、10mm）（见图4）、自制整流及峰值缓存器（见图2）、电压表、导线等。 图1 图2 图3 图4 图5 图6 五、实验创新要点/改进要点： （一）采用自制数字化（DIS）实验系统代替了传统的电压表改进创新实验测量方式、便于记录实验数据、提高了测量的精确度； （二）国产芯片乐鑫ESP32微处理器+Micropython代码、联合传感器收集数据、通过蓝牙连接智能手机，在App--Phyphox记录和显示实验数据、用计算机分析处理实验数据等多信息技术与高中物理的深度融合； （三）其他实验器材改进部分： （1）增加支架和刻度尺，加强了透明管和线圈的稳定性，方便测量强磁下落高度； （2）强磁体使用了30mm长度的圆柱体强磁体，避免磁体下落过程翻滚； （3）采用了一组高度相同、直径分别为5、6、8、10mm圆柱形强磁体，B相同，通过改变有效面积S来改变磁通量的变化ΔΦ； （4）采用“自制缓存器”进行整流及缓存峰值，让自制DIS系统能采集感应电动势峰值。 （四）将教材定性实验改进为定量探究实验。 六、实验原理/实验设计思路： 让磁体做自由落体运动穿过线圈产生电磁感应现象，用自制DIS系统+自制整流及峰值缓存器采集线圈产生的感应电动势脉冲信号中的峰值E（如图7），利用控制变量法，控制不同的变量，分别通过改变磁体的下落高度来改变磁体在线圈中的瞬时速度v，从而改变磁体穿过对应的某一位移Δx的时间Δt、利用高度相同横截面直径分别为5、6、8、10mm圆柱体磁体来改变ΔΦ、和改变线圈的匝数n来探究感应电动势峰值E与Δt、ΔΦ、n之间的关系、通过计算机软件处理实验数据、再归纳总结出电磁感应定律。 图7 七、实验教学内容： （一）导入新课演示实验：通过实验创设情境、认识感应电流大小与磁通量的变化率有关； （二）创设情境认识感应电动势的概念； （三）通过教材“做一做”实验，引导学生观察实验现象、提出质疑、分析问题、创新改进、解决问题、探究并创新设计实验方案； （四）指导学生按改进创新的 ... ...