DIS背景下“发电实验”赏析

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gaoliqiang
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  DIS因为具有实时实验、测量精度高、微信号测量、自动连续采集数据、智能处理数据等技术特征,可以完成許多传统实验无法完成的实验,以“发电实验”为例,逐一说明,以求探讨,以供鉴赏.
  1 摇绳发电
  实验背景 长导线在切割地磁场的过程中,产生感应电动势.若长导线构成闭合回路,则在回路中产生感应电流.此实验一般可作为“电磁感应”这部分内容的引入实验,以激发学生的学习兴趣,提高学习的效率.
  实验过程 如图1所示,将普通跳绳的两个手柄拆下,一段长3m左右导线的两端分别穿过跳绳的两个手柄,然后与微电流传感器相连,微电流传感器与数据采集器相连.当学生手握跳绳的两个手柄“跳绳”时,由于“绳”在切割磁场,故在计算机的显示屏上出现了如图2所示的“电流-时间”图象.由图象可得,摇绳发电的电流在1mA左右.学生感觉非常神奇.
  2 温差发电
  实验背景 温差发电是人教版教材选修1-2《能量守恒定律》这部分内容的一个引入实验,目的是说明能的转化与守恒现象,但温差发电所产生的电流很小,即使用灵敏电流计也很难观察到由于温差发电所产生的微电流.由于学生没有切身的感受,故很难理解或想象“两根不同的金属丝、两端不同的温度”尽然能够发电.
  实验过程 如图4、图5所示,将一根长度约25cm的铜丝的两端和分别与一根铁丝的两端相连,形成一个环.然后将铜丝剪断,接到温度传感器的两端.铜丝与铁丝相连的一个接头放在酒精灯上烧,另一个接头放入烧杯的冷水中.在计算机屏上显示了如图4所示的图象.可见,两种金属丝的两个连接点由于存在温度差而产生了电流,从而实现了内能与电能之间的相互转化.
  3 水果发电
  实验背景 由于水果中的汁液是电解质溶液,当在水果当中插入化学活性不同的金属,相当于电解质溶液中插入了两个电极,故整个装置相当于一个电源.当在“两极”连接导线的时候,会产生非常小的电流,用灵敏电流计无法观察到明显的指针偏转现象.
  实验过程 如图5所示,在梨上相距2cm左右的距离分别插上细的铁片和细铜片,将铁片与铜片分别与电流传感器相连.通过数据采集器,在计算机屏幕上显示的电流随时间变化的图象如图6所示,由图象可知,其电流大概在0.07mA.
  4 圆盘发电
  实验背景 1831年法拉第在一次会议上展示了他发明的圆盘发电机.它是利用电磁感应原理制成的人类历史上第一台发电机.其原理如图7所示,圆铜盘安装在水平放置的转轴上,圆盘处在匀强磁场中,两块铜片分别与转轴和铜盘的边缘接触,当铜盘转动时,电阻R中就有电流流过.在处理实际问题时,往往要求学生运用电磁感应现象的有关规律来判断流过电阻R的电流方向.当圆盘转动的时候,电阻中到底有没有电流呢?
  实验过程
  (1)将一片直径为6cm的铜盘放在带有金属转轴的塑料支架上.
  (2)如图8所示,将铜片与塑料支架放人马蹄形磁铁的中间.
  (3)取两根普通的导线.在每根导线的一端,将塑料壳里的细铜丝分开,分别与铜片的中心与边缘接触.每根导线的另一端分别与电流传感器相连.
  (4)调节DIS实验系统,对电流传感器进行调零和校验,得到如图9所示的图象.
  (5)转动铜盘,在计算机显示屏上出现如图10所示的电流随时间变化的图象.
  比较图9和图10不难看出,在铜盘转动的过程中由于铜片的每根半径都在不停地切割磁感线,故产生了感应电动势,在闭合回路中产生了感应电流,从理论上可进一步判断流过电流传感器的电流方向.
  奥斯特在1820年发现了电流的磁效应,出于对称性的思考,当时的很多科学家提出了“磁场能产生电流”的设想,开始了对电磁感应的探索.1825年,瑞士科学家科拉顿用实验探索如何产生感应电流.他在进行条形磁铁在线圈中插进和抽出实验时,为了排除磁铁对“电流表”的影响,把“电流表”和线圈分别放在不同的房间里.在实验过程中,他在两个房间之间跑来跑去,因而与电磁感应现象的发现擦肩而过.法拉第在1822年提出了“磁生电”的设想,并为此进行了长达10年的艰苦探索.他的日记中“未显示作用”、“不行”等词语记录着他艰苦的探索过程.试想如果他们用DIS实验系统来完成各自的实验,结果会如何呢?如果科拉顿充分利用DIS实验的“实时实验、记录”的功能,恐怕科拉顿将更加被我们所熟知.如果法拉第充分利用DIS实验的“微信号放大”的功能,恐怕他也不需要用10年的时间了吧!
  综上所述,在上述的四种“发电”的方式充分发挥了DIS实验系统的“微信号测量”的优势,可检测到灵敏电流计无法显示的电流,并在计算机屏幕上将“电流”这种微信号显示出来.增强了在物理教学中有关实验的说理性.
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