一种电磁感应探究实验器及其实验方法与流程
本发明属于教学用模型技术领域，具体涉及为一种电磁感应探究实验器及其实验方法。
背景技术：
法拉第电磁感应定律是高中物理的一条重要定律，但在实际教学中，限于中学实验室的条件，很难进行定量验证，教师只能结合物理学史直接介绍法拉第电磁感应定律，不利于学生的理解和掌握。
断电自感实验、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系实验、模仿法拉第的实验、演示电感对交流电的阻碍作用实验等都是高中物理经典的实验，“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验更被教材安排为学生实验。
但在学校的实际教学中，这些实验都存在或多或少的问题，或者实验效果不佳，或者实验不够深入、不够全面。而这个需人人动手的学生实验在大多数学校中是形同虚设，主要原因是，用学校器材(变压器)得到的实验结果与理论预测值相差太大。
因此，有必要对实验方案进行修改并扩展实验功能，目的是进一步解决高中物理实验问题，更好地培养学生的物理实验能力。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种电磁感应探究实验器及其实验方法。
本发明实现其目的采用的技术方案如下。
一种电磁感应探究实验器及其实验方法，包括变压器、电流表、小灯泡、变阻器、低压电源、交流电压表、开关；所述变压器包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n3大于n2；所述第一线圈两端分别设置第一接线柱和第二接线柱；所述第二线圈两端分别设置第三接线柱和第四接线柱；所述第三线圈两端分别设置第五接线柱和第六接线柱；所述低压电源（5）是一种交直流两用低压电源，或是独立的低压交流电源和独立的低压直流电源的组合。
所述低压电源、开关、变阻器和变压器中的一线圈串联形成串联电路；所述电流表与变压器的剩余一线圈串联形成串联电路；所述低压电源为低压直流电源。
所述变压器的第一线圈或第二线圈或第三线圈，与小灯泡、开关、低压电源串联形成闭合电路。
所述小灯泡与变压器的第一线圈、或第二线圈或第三线圈并联后与低压电源串联；所述低压电源是低压直流电源。
所述小灯泡与变阻器串联后与变压器的第一线圈或第二线圈或第三线圈并联，再与低压电源串联，所述低压电源是低压直流电源。
所述第一线圈、第二线圈和第三线圈的电阻值相差不太大，每次选择其中一个线圈与电流表串联成闭合电路时，三个闭合电路的总电阻近似相等，相差不超过20%。
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
所述低压电源、开关、变阻器和变压器中的一线圈串联形成闭合电路，所述电流表与变压器的剩余一线圈串联形成另一闭合电路，所述低压电源是低压直流电源；
第一步，所述低压直流电源、开关、变阻器、变压器的第一线圈串联形成闭合电路；变阻器的滑片置于阻值较大位置，变压器的第三线圈与电流表串联形成闭合电路；
第二步，闭合开关，同时观察电流表的最大读数（偏转格数）并记录；
第三步，断开开关，同时观察电流表的最大读数并记录；
第四步，变阻器的滑片位置保持不变，将电流表与变压器的第二线圈组成串联电路，闭合开关，同时观察电流表的最大读数与第二步实验操作中电流表的最大读数进行对比；
第五步，断开开关，同时观察电流表的最大读数，与第三步实验操作中电流表的最大读数进行对比；
这个实验的方法还可以稍做改变，比如，所述低压直流电源、开关、变阻器、变压器的第二线圈串联形成闭合电路，电流表先与变压器的第三线圈组成串联电路，第四步中将电流表与变压器的第一线圈组成串联电路；又比如，所述低压直流电源、开关、变阻器、变压器的第三线圈串联形成闭合电路的方案；若变压器线圈阻值较大，变阻器可省略。
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
所述变压器的第一线圈或第二线圈或第三线圈，与小灯泡、开关、低压电源串联成闭合电路；
第一步，变压器的第一线圈与小灯泡、闭合开关串联后接到低压直流电源上；
第二步，闭合开关，观察小灯泡发光情况；
第三步，断开开关，低压直流电源换成电压近似相等的低压交流电源，重新闭合开关，观察小灯泡发光情况；
第四步，交流电压表量程选择交流20v，测量小灯泡两端的电压，观察交流电压表的示数；
第五步，将第一线圈换成第三线圈，重复步骤一至四。
第六步，将第三线圈换成第二线圈，重复步骤一至四。
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
所述小灯泡与变压器的第一线圈、或第二线圈或第三线圈并联后与低压电源串联，所述低压电源是低压直流电源；
第一步，将小灯泡与变压器的第一线圈并联后与低压电源串联；
第二步，闭合开关，观察小灯泡的亮度；
第三步，断开开关，观察断开瞬间小灯泡发光情况；
第四步，将电路中的线圈换成变压器的第三线圈，重复实验；
第五步，将电路中的线圈换成变压器的第二线圈，重复实验。
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
所述小灯泡与变阻器串联后与变压器的第一线圈或第二线圈或第三线圈并联，再与低压电源串联，所述低压电源是低压直流电源；
第一步，将小灯泡与变压器的第一线圈并联后与低压直流电源串联；
第二步，闭合开关，观察小灯泡的亮度；
第三步，断开开关，观察断开瞬间小灯泡发光情况；
第四步，将小灯泡与变阻器串联后与变压器的第一线圈并联，再与低压直流电源串联，变阻器的滑片置于阻值接近最大位置，闭合开关，移动变阻器的滑片，使小灯泡亮度较暗；
第五步，断开开关，观察断开瞬间小灯泡发光情况，可以多操作几次；
第六步，将第四步电路中的线圈换成第三线圈，重复第四、第五步的实验操作；
第七步，将第四步电路中的线圈换成第二线圈，重复第四、第五步的实验操作；
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
所述变压器的一线圈接上低压交流电源，小灯泡与变压器的另一线圈串联，第三个线圈空载；
第一步，所述变压器的一线圈接上低压交流电源；
第二步，用交流电压表分别测量变压器的第一接线柱和第二接线柱间、第三接线柱和第四接线柱间、第五接线柱和第六接线柱间的输入电压或输出电压并记录，分析实验数据是否满足理想变压器的变压比公式
第三步，所述变压器的一线圈接上低压交流电源，所述小灯泡与变压器的另一线圈串联，第三个线圈空载；
第四步，用交流电压表分别测量变压器的第一接线柱和第二接线柱间、第三接线柱和第四接线柱间、第五接线柱和第六接线柱间的输入电压或输出电压并记录；探究提示：测出变压器的输入电压后，可预测一下变压器的两个副线圈两端的电压大约会是多少，用交流电压表测量出两个副线圈的实际输出电压后尝试解释实验数据。
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
电流表与变压器的一线圈串联成闭合电路，另外准备两个磁性较强的相同的片状（立方体或圆柱等柱体，厚度薄些）磁铁；
第一步，小量程电流表与变压器的一线圈串联成闭合电路；
第二步，取一小张纸折叠后铺在变压器的上表面（起保护作用），手拿一块片状磁铁在变压器中央上方一定高处（取一支笔帽直立起来，每次释放时磁铁下沿与笔帽顶端相平，或用刻度尺等物体直立起来，每次从同一位置释放磁铁）静止释放，注意让磁铁表面保持水平落到变压器上，如果不是，请重新释放多次。同时观察电流表的最大读数（偏转格数）并记录；
第三步，把两块片状磁铁叠放后从变压器中央上方同一位置静止释放，同时观察电流表的最大读数，与第二步实验操作中电流表的最大读数进行对比；
第四步，将电流表改为与变压器的另一线圈串联成闭合电路后，两块片状磁铁从变压器中央上方同一位置静止释放，同时观察电流表的最大读数，与第三步实验操作中电流表的最大读数对比；或者一块片状磁铁从变压器中央上方同一位置静止释放，同时观察电流表的最大读数，与第二步实验操作中电流表的最大读数对比。
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
变压器的第一线圈、开关、低压直流电源串联成闭合电路；变压器的第一线圈和第三线圈同向或反向并联后通过开关与低压直流电源串联；另外准备1颗或多颗轻质的金属片；
第一步，变压器的第一线圈、开关、低压直流电源串联成闭合电路；
第二步，在变压器上表面中央区域附近放1颗或多颗轻质的金属片；
第三步，快速闭合开关，观察金属片有何反应，随后断开开关；
第四步，将第一接线柱和第五接线柱连接，第二接线柱和第六接线柱连接，变压器的第一线圈和第三线圈同向并联（通电后两个线圈的电流方向一致）后通过开关与低压直流电源串联；
第五步，闭合开关，观察金属片有何反应，随后断开开关；
第六步，将第一接线柱和第六接线柱连接，第二接线柱和第五接线柱连接，变压器的第一线圈和第三线圈反向并联（通电后两个线圈的电流方向相反）后通过开关与低压直流电源串联；再闭合开关，观察金属片有何反应，随后断开开关。
一种电磁感应探究实验器的实验方法，包括以下步骤：
另外准备的漆包线伸进变压器的间隙，一圈一圈绕在变压器一侧的铁芯上，漆包线长度在1米至2米间比较合适，变压器的某一线圈通过开关与低压交流电源串联；
第一步，用小刀将漆包线两头的漆各刮去一小段，将漆包线的一头伸进变压器的间隙，一圈一圈绕在变压器一侧的铁芯上，完整的绕十多圈（圈数视漆包线长度而定），两头放在绝缘平台上。
第二步，变压器的某一线圈通过开关与低压交流电源串联，接通电源，用交流电压表先后测出变压器的这一线圈两端的输入电压和漆包线两端的输出电压。
本技术方案利用较简单的装置定量验证法拉第电磁感应定律，可以完成电磁感应相关的一些实验，效果良好，成本也低；本装置进一步解决高中物理实验问题，更好地培养学生的物理实验能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是实施例1的结构示意图；
图3是实施例2的结构示意图；
图4是实施例3的结构示意图；
图5是实施例4的结构示意图；
图6是实施例5的结构示意图；
图7是实施例7的结构示意图；
图中：变阻器（1）、电流表（2）、小灯泡（3）、变压器（4）、
第一线圈（4a）、第一接线柱（401）、第二接线柱（402）、
第二线圈（4b）、第三接线柱（403）、第四接线柱（404）、
第三线圈（4c）、第五接线柱（405）、第六接线柱（406）、
低压电源（5）、交流电压表（6）、开关（7）。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。
一种电磁感应探究实验器及其实验方法，包括变压器（4）、电流表（2）、小灯泡（3）、变阻器（1）、低压电源（5）、交流电压表（6）、开关（7）。
所述变压器（4）包括第一线圈（4a）、第二线圈（4b）和第三线圈（4c），匝数分别为n1、n2、n3，n1大于n3大于n2；所述第一线圈（4a）两端分别设置第一接线柱（401）和第二接线柱（402）；所述第二线圈（4b）两端分别设置第三接线柱（403）和第四接线柱（404）；所述第三线圈（4c）两端分别设置第五接线柱（405）和第六接线柱（406）；所述低压电源（5）是一种交直流两用低压电源，或是独立的低压交流电源和独立的低压直流电源的组合。
所述第一线圈（4a）、第二线圈（4b）和第三线圈（4c）的电阻值相差不太大，这样做“定量验证法拉第电磁感应定律”时，每次选择一个线圈与电流表串联成闭合电路，进行对比实验，可认为对比实验中闭合电路的总电阻近似相等，所以，电流表最大读数之比就反映了最大感应电动势之比。所述三个线圈匝数比设置灵活性较大，作为优选，所述第一线圈（4a）、第二线圈（4b）和第三线圈（4c）的匝数比为4:1:2。
需要特别说明的是，第一线圈（4a）、第二线圈（4b）和第三线圈（4c）是以功能作为区分，其可以是相互独立的实体，也可以公用部分线圈，对应位置的两个接线柱也可以合并成一个。
所述变阻器（1）的总阻值为5ω~200ω。进一步，所述变阻器（1）包括滑动变阻器或者电位器。
所述电流表（2）是小量程电流表，是毫安表或者微安表，电阻值几欧姆至几百欧姆，作为优选，所述电流表（2）的量程为15ma。
所述小灯泡（3）包括小电珠和220v的灯泡。作为优选，小电珠规格为6.3v、0.15a或者2.5v、0.3a，220v的灯泡优选220v的3瓦led灯泡。
所述交流电压表（6）可以是数字多用表或者指针多用电表。
作为优选：以下10个实施例采用相同规格的变压器（4），变压器（4）的第一线圈（4a）、第二线圈（4b）和第三线圈（4c）的匝数分别为4n、n、2n，三个线圈的电阻值相差不大。
实施例1，定量探究法拉第电磁感应定律（一）
实验目的：定量探究法拉第电磁感应定律。
作为优选：低压电源（5）用1节干电池；变阻器（1）的规格为“20ω、2a”；电流表（2）的量程选择15ma。
实验步骤：第一步，按图2所示的电路图连好电路，所述低压直流电源（5）、开关（7）、变阻器（1）、变压器（4）的第一线圈（4a）串联形成闭合电路；变阻器（1）的滑片置于阻值接近最大位置，变压器（4）的第三线圈（4c）与电流表（2）串联形成闭合电路。
探究提示1：变阻器（1）的滑片先置于阻值接近最大的位置，建议在阻值较大位置时闭合开关（7）或断开开关（7）。防止电流表（2）指针偏角过大而损坏电表。
第二步，闭合开关（7），一次快速移动变阻器（1）的滑片，一次缓慢移动变阻器（1）的滑片，比较哪一次电流表（2）的读数大一些。然后将变阻器（1）的滑片移到阻值较大位置，断开开关（7）。
第三步，闭合开关（7），同时观察电流表（2）的最大读数（偏转格数）并记录。
第四步，断开开关（7），同时观察电流表（2）的最大读数并记录。
第五步，变阻器（1）的滑片位置保持不变，将电流表（2）与变压器（4）的第二线圈（4b）组成串联电路，闭合开关，同时观察电流表（2）的最大读数（偏转格数）与第三步实验操作中电流表（2）的最大读数进行对比。
第六步，断开开关（7），同时观察电流表（2）的最大读数，与第四步实验操作中电流表（2）的最大读数进行对比。
第七步，拆除电路，整理器材。
探究提示2：因为第二线圈（4b）与第三线圈（4c）的阻值相差不太大，分别与电流表（2）组成串联电路后，可以认为，几次实验操作中闭合电路的直流电阻值近似相等。
实验结论：1.第二步实验操作中，快速移动变阻器（1）的滑片时，电流表（2）的读数更大一些。说明穿过闭合回路的磁通量变化越快，产生的感应电动势越大。
2.第三步与第五步实验操作对比，闭合电路的直流电阻值近似相等，穿过闭合电路的磁通量变化率近似相等，第三线圈（4c）和第二线圈（4b）的匝数之比为2：1，电流表（2）最大读数前者近似为后者的2倍，说明感应电动势的大小与线圈的匝数成正比。
3.第四步与第六步实验操作对比，开关断开时，前者电流表的最大读数近似为后者的2倍，同理可得，感应电动势的大小与线圈的匝数成正比。
根据法拉第电磁感应定律：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。如果采用国际单位制，闭合电路是一个匝数为n的线圈，法拉第电磁感应定律的表达式为：。上述实验结果定量检验了法拉第电磁感应定律的正确性。
本实施例的实验方法也可稍做改变，比如，所述低压直流电源（5）、开关（7）、变阻器（1）、变压器（4）的第二线圈（4b）串联形成闭合电路，电流表（2）先与变压器（4）的第三线圈（4c）串联形成闭合电路，第五步中将电流表（2）与变压器（4）的第一线圈（4a）组成串联电路；又比如，所述低压直流电源（5）、开关（7）、变阻器（1）、变压器（4）的第三线圈（4c）串联形成闭合电路，电流表（2）先与变压器（4）的第二线圈（4b）串联形成闭合电路，第五步中将电流表（2）与变压器（4）的第一线圈（4a）组成串联电路。
实施例2探究电感器对交变电流的阻碍作用
实验目的：认识电感器对交变电流的阻碍作用，说说本实验中所用的线圈自感系数较大还是较小。
作为优选：低压电源（5）是交直流两用低压电源；小灯泡（3）的规格为6.3v、0.15a；交流电压表（6）量程选择20v。
实验步骤：第一步，按图3电路图连好电路，变压器（4）4n匝的第一线圈（4a）与小灯泡（3）、闭合开关（7）串联后接到低压电源（5）上，低压电源（5）选择直流6v挡。
第二步，闭合开关（7），观察小灯泡（3）发光情况。
第三步，断开开关，低压电源（5）换成交流6v挡，重新闭合开关，观察小灯泡（3）发光情况。
探究提示1：换成交流6v电源时，注意观察小灯泡（3）是亮度变化些，还是完全不亮。
第四步，交流电压表（6）量程选择交流20v挡。将两表笔接触小灯泡（3）两端的接线柱，观察交流电压表（6）的示数。
第五步，将线圈换成2n匝的第三线圈（4c），重复步骤一至四。
第六步，将线圈换成n匝第二线圈（4b），重复步骤一至四。
第七步，拔掉插头，拆除电路，整理器材。
探究提示2：电工和电子技术中的扼流圈分两类，一类是低频扼流圈，线圈绕在铁芯上，匝数很多，对交流的阻碍作用大，特性概括为“通直流，阻交流”；另一类是高频扼流圈，线圈绕在铁氧体芯上或者空心，匝数少，自感系数小，特性概括为“通直流、通低频、阻高频”。仅根据线圈在实验中表现出来的特性归类，你认为变压器中的线圈分别可归到哪一类扼流圈。
实验现象：某次实验中，第二步操作中，与线圈（4a）串联的小灯泡（3）发光亮度较高。第三步中，与线圈（4a）串联的小灯泡（3）没有发光。第四步中交流电压表示数接近零。第五步中，小灯泡（3）灯丝发红，看不出发光，电压表示数为0.79v左右。第六步中，小灯泡（3）发光，但亮度较暗，测得两端电压为3.32v左右。
实验结论：上述实验现象说明电感线圈对交变电流有阻碍作用。根据变压器（4）中三个线圈在实验中表现出来的特性。4n匝的第一线圈（4a）匝数最多，线径也粗些，自感系数较大，在本实验中起到“通直流，阻交流”的作用，可认为是一个低频扼流圈。n匝的第二线圈（4b）匝数最少，线径也细些，自感系数较小，能允许低频交变电流通过线圈，但也有阻碍作用（灯泡a亮度较暗），可认为是一个高频扼流圈。2n匝的第三线圈（4c）表现出来的特性介于两者之间。
实施例3断电自感现象探究：小灯泡闪亮一下
实验目的：理解并解释断电自感现象，同时认识到线圈的自感系数与线圈的大小、形状、圈数等有关。
作为优选：低压电源（5）是2节干电池串联形成的电池组；小灯泡（3）的规格为6.3v、0.15a（或220v的3瓦led灯泡）。
实验步骤：第一步，将小灯泡（3）与变压器（4）的第一线圈（4a）并联后与低压电源（5）串联，按图4所示的电路图连接好电路。
第二步，闭合开关，观察小灯泡（3）的亮度。
第三步，断开开关，观察断开瞬间小灯泡（3）发光情况。
第四步，将线圈换成变压器（4）的第三线圈（4c），重复实验。
第五步，将线圈换成变压器（4）的第二线圈（4b），重复实验。
第六步，拆除电路，整理器材。
安全提示：变压器（4）线圈通电时间不要太长，以免损伤变压器（4）。
探究提示：请解释实验现象，并根据所学知识思考，要想在开关（7）断开瞬间，观察到小灯泡（3）闪亮一下再熄灭，对两条支路的电阻值有什么要求。
实验现象：第三步操作中，开关（7）断开瞬间，看到小灯泡（3）闪亮一下再熄灭，现象非常清晰。第四步操作中，开关（7）断开瞬间，小灯泡（3）稍微亮了一点再熄灭。第五步操作中，开关（7）断开瞬间，看不出小灯泡（3）闪亮一下再熄灭，也没有明显的延迟熄灭效果。
实验结论：1.开关（7）断开瞬间，线圈产生自感电动势阻碍电流的减小，线圈起到电源作用，此时小灯泡（3）中的电流值从线圈正常的电流值开始逐渐减小，但要看到小灯泡（3）更亮一下再熄灭，必须使开关（7）断开前通过线圈的电流比小灯泡（3）的电流大得多(即线圈的电阻值比小灯泡（3）的阻值小得多)。
第四、五步操作中，小灯泡（3）闪亮一下效果不明显，三次实验，开关（7）断开前，三个线圈的电阻值相差不大，则通过线圈的电流值相差不大，开关（7）断开后，回路总电阻差别不大，主要是因为三个线圈的自感系数不同(自感作用强弱不同)，线圈越粗、匝数越多、加上铁芯，自感系数就越大。4n匝的第一线圈（4a）匝数多线径粗，自感系数大，实验效果好。而n匝的第二线圈（4b）匝数少线径细，自感系数最小，实验效果也最差。
实施例4探究影响断电自感效果的因素
实验目的：理解并解释断电自感现象，同时探究影响实验效果的因素有哪些。
作为优选：低压电源（5）是2节干电池串联形成的电池组；变阻器（1）的规格为20ω、2a；小灯泡（3）的规格为2.5v、0.3a。
实验步骤：第一步，将小灯泡（3）与变压器（4）的第一线圈（4a）并联后与低压直流电源（5）串联。
第二步，闭合开关（7），观察小灯泡（3）的亮度。
第三步，断开开关（7），观察断开瞬间小灯泡（3）发光情况。
第四步，将小灯泡（3）与变阻器（1）串联，按图5的电路图连好电路，变阻器（1）的滑片置于阻值接近最大位置。闭合开关（7），移动变阻器（1）的滑片，使小灯泡（3）亮度较暗。
第五步，断开开关（7），观察断开瞬间小灯泡（3）发光情况。重新闭合开关，再断开开关（7），可以多观察几次。
第六步，将线圈换成2n匝的第三线圈（4c），重复第四、第五步的实验操作。
第七步，将线圈换成n匝的第二线圈（4b），重复第四、第五步的实验操作。
第八步，拆除电路，整理器材。
安全提示：变压器（4）线圈通电时间不要太长，以免损坏变压器（4）。
探究提示：请解释实验现象，并与上个实验的实验效果进行对比分析。
实验现象：第三步、第六步、第七步操作中，开关断开瞬间，没有明显观察到小灯泡更亮一下再熄灭。第五步操作中，开关断开瞬间，能看到小灯泡更亮一下再熄灭。
实验结论：1.小灯泡（3）与变阻器（1）串联，使小灯泡（3）亮度较暗时，线圈的电阻值远小于小灯泡（3）和变阻器（1）的总阻值，开关断开前通过线圈的电流远大于小灯泡（3）的电流。这样，开关断开时，小灯泡（3）中的电流从线圈正常的电流值开始逐渐减小，在较长时间内电流值仍大于开关闭合时的灯泡电流值，所以在第五步操作中，能看到小灯泡（3）更亮一下再熄灭。但在第三步操作中，虽然线圈电阻小于灯泡电阻，但小得不多，因此开关断开前通过线圈的电流没有远大于小灯泡（3）的电流，开关断开时小灯泡（3）更亮一下效果不明显。因此小灯泡（3）更亮一下的第一个条件是：开关断开前通过线圈的电流比小灯泡（3）的电流大得多。
第六步、第七步操作中，虽然满足了第一个条件，但小灯泡（3）闪亮效果不明显，主要是因为三个线圈的自感系数不同。4n匝粗线圈的自感系数大，实验效果好。而n匝的细线圈，自感系数最小，实验效果也最差。因此小灯泡更亮一下的第二个条件是：线圈的自感系数要足够大。
与实施例3进行对比，开关闭合时，两灯亮度均较暗，电流均小于各自的额定电流值。但2.5v小灯泡（3）的额定电流是0.3a，6.3v小灯泡（3）虽然额定电压高，额定电流却只有0.15a。开关断开瞬间，小灯泡中的电流值都是从线圈正常的电流值开始逐渐减小，但通过6.3v小灯泡（3）的电流保持在额定电流值以上的时间更长，所以6.3v小灯泡闪亮一下的效果更好。
实施例5供电情形下探究变压器线圈两端的电压
实验目的：通过探究，进一步认识到变压比公式仅适用理想变压器，供电时由于损耗造成变压器副线圈实际电压降低。
作为优选：低压电源（5）是低压交流电源；小灯泡（3）的规格为6.3v、0.15a；交流电压表（6）量程选择20v。
所述变压器（4）的一线圈接上低压电源（5）；所述小灯泡（3）与变压器（4）的剩余一线圈串联；用交流电压表（6）分别测量变压器（4）的第一接线柱（401）和第二接线柱（402）间、第三接线柱（403）和第四接线柱（404）间、第五接线柱（405）和第六接线柱（406）间的输入电压或输出电压；所述低压电源（5）是低压交流电源。实验步骤：第一步，用导线将变压器（4）的2n匝的第三线圈（4c）接上交直流两用低压电源（5）(选择交流4v挡)。
第二步，接通电源，用交流电压表（6）测量变压器（4）的第五接线柱（405）、第六接线柱（406）间的输入电压，第一接线柱（401）、第二接线柱（402）间的输出电压以及第三接线柱（403）、第四接线柱（404）间的输出电压并记录，分析实验数据是否满足理想变压器的变压比公式
第三步，断开电源，按图6的电路图连接好电路，即2n匝的第三线圈（4c）接交流低压电源（5），4n匝的第一线圈（4a）对小灯泡（3）供电，n匝的第二线圈（4b）空载。
第四步，接通电源，先观察小灯泡（3）发光情况。再用交流电压表（6）测量变压器（4）的第五接线柱（405）、第六接线柱（406）间的输入电压，第一接线柱（401）、第二接线柱（402）间的输出电压（即小灯泡（3）两端的电压），第三接线柱（403）、第四接线柱（404）间的输出电压并记录。
探究提示1：测出变压器（4）的输入电压后，可预测一下变压器的两个副线圈两端的电压大约会是多少，用交流电压表（6）测量出两个副线圈的实际输出电压后尝试解释实验数据。
第五步，断开开关，拔掉插头，拆除电路，整理器材。
实验数据：某次实验中，变压器空载（未接小灯泡）时，测得第五接线柱（405）、第六接线柱（406）间的输入电压为4.69v，第一接线柱（401）、第二接线柱（402）间的输出电压为9.27v，第三接线柱（403）、第四接线柱（404）间的输出电压为2.31v。变压器（4）对小灯泡（3）供电后，变压器（4）的输入电压降为4.48v，第一接线柱（401）、第二接线柱（402）间（接小灯泡（3））的输出电压降为6.85v，第三接线柱（403）、第四接线柱（404）间的输出电压降为1.78v。
实验结论：变压器空载（未接小灯泡）时，变压器（4）的第一接线柱（401）、第二接线柱（402）间的输出电压是输入电压的2倍，第三接线柱（403）、第四接线柱（404）间的输出电压是输入电压的0.5倍，都与理想变压器的变压比公式符合得相当好。变压器（4）对小灯泡（3）供电后，输入和输出电压不是同比例降低的。两个副线圈第二线圈（4b）和第三线圈（4c）的输出电压都比公式
本实施例采用的是升压供电电路，当然也可以采用降压供电电路进行实验。比如：变压器（4）的第一线圈（4a）接上低压交流电源（5）；2n匝的第三线圈（4c）对2.5v、0.3a的小灯泡（3）供电，n匝的第二线圈（4b）空载。用交流电压表（6）测量变压器（4）的第一接线柱（401）、第二接线柱（402）间的输入电压，第五接线柱（405）、第六接线柱（406）间的输出电压，第三接线柱（403）、第四接线柱（404）间的输出电压。
实施例6定量探究法拉第电磁感应定律（二）
实验目的：定量探究法拉第电磁感应定律。
作为优选：电流表（2）的量程为15ma，自备两个磁性较强的相同的片状（立方体或圆柱等柱体，厚度薄些）磁铁。
实验步骤：第一步，电流表（2）与变压器（4）4n匝的第一线圈（4a）串联成闭合电路，电流表（2）量程选择15ma挡。
第二步，手握2块片状磁铁，从变压器（4）上方靠近变压器（4），一次快速靠近，一次缓慢靠近，比较两次电流表指针偏角的大小。
第三步，取一小张纸折叠后铺在变压器（4）的上表面（起保护作用），手拿一块片状磁铁在变压器（4）中央上方一定高处（取一支笔帽直立起来，每次释放时磁铁下沿与笔帽顶端相平，或用刻度尺等物体直立起来，每次从同一位置释放磁铁）静止释放，注意让磁铁表面保持水平落到变压器（4）上，如果不是，请重新释放多次。同时观察电流表（2）的最大读数（偏转格数）并记录。
第四步，把两块片状磁铁叠放后从变压器（4）中央上方同一位置静止释放，同时观察电流表（2）的最大读数，与第
探究提示1：因为闭合电路的总电阻不变，电流表的最大读数之比反映了感应电动势大小之比。另外，磁铁从变压器中央上方同一位置释放，说明两次实验磁铁靠近变压器的速度是相等的，可近似认为，两块磁铁下落时穿过闭合回路的磁通量变化率是一块磁铁下落时磁通量变化率的两倍。
第五步，将电流表（2）改为与变压器（4）的2n匝的第三线圈（4c）串联成闭合电路，两块片状磁铁从变压器（4）中央上方同一位置静止释放，同时观察电流表（2）的最大读数，与第四步实验操作中电流表的最大读数进行对比。
第六步，拆除电路，整理器材。
探究提示2：因为两个线圈的阻值相差不大，与电流表组成串联电路后，可以认为，两次实验操作中闭合回路的直流电阻值近似相等。
实验数据：步骤三中，一块磁铁下落时，电流表最大偏转了格。
步骤四中，两块磁铁下落时，电流表最大偏转了格。
步骤五中，两块磁铁下落时，电流表最大偏转了格。
实验结论：1.“快速靠近”时，穿过闭合电路的磁通量变化较快，电流表指针的偏转角较大，说明此时回路中的感应电流较大。可见，穿过闭合回路的磁通量变化越快，产生的感应电动势越大。
两块磁铁下落时电流表的最大读数近似为一块磁铁下落时电流表最大读数的两倍。说明感应电动势的大小与穿过闭合回路的磁通量变化率成正比。
第四步与第五步实验操作对比，闭合回路的直流电阻值基本相等，穿过闭合回路的磁通量变化率近似相等，线圈匝数之比为2：1，电流表的最大读数前者近似为后者的2倍，可认为感应电动势的大小与线圈的匝数成正比。总结可得法拉第电磁感应定律：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。如果采用国际单位制，闭合电路是一个匝数为n的线圈，法拉第电磁感应定律的表达式为：。
实施例7通电瞬间互感现象探究：跳环实验
实验目的：认识“跳环现象”，尝试用楞次定律等物理原理解释“跳环现象”。
作为优选：低压电源（5）是2节干电池串联形成的电池组；轻质金属片4颗。
实验步骤：第一步，变压器（4）的第一线圈（4a）、开关、低压直流电源（5）串联成闭合电路。
第二步，在变压器（4）上表面铭牌的四个角附近（在铭牌内）各放1颗轻质的金属片（可用表面不怎么平的小螺丝垫片）。
第三步，快速闭合开关，观察金属片有何反应，随后断开开关。
第四步，按图7所示电路，将第一接线柱（401）和第五接线柱（405）连接，第二接线柱（402）和第六接线柱（406）连接，变压器（4）的第一线圈（4a）和第三线圈（4c）同向并联（通电后两个线圈的电流方向一致）后通过开关（7）与低压直流电源（5）串联。
第五步，闭合开关（7），观察金属片有何反应，随后断开开关。
第六步，将第一接线柱（401）和第六接线柱（406）连接，第二接线柱（402）和第五接线柱（405）连接，变压器（4）的第一线圈（4a）和第三线圈（4c）反向并联（通电后两个线圈的电流方向相反）后通过开关（7）与低压直流电源（5）串联。再重复实验，观察金属片的反应，随后断开开关。
第七步，拆除电路，整理器材，尝试解释实验现象。
实验现象：第三步和第五步操作中，开关闭合瞬间，有的金属片跳了一下（若没跳起或抖动一下，请换新电池）。第六步操作中，开关闭合瞬间，没有金属片跳起。
实验结论：1.开关闭合后，变压器中的线圈有电流通过（相当于通电螺线管），就会在周围空间产生磁场。在开关闭合瞬间，穿过金属片的磁通量突然增加，在金属片中就产生了感应电流。根据楞次定律，感应电流引起的效果总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，金属片有朝磁通量减少方向运动的趋势，即金属片中感应电流受到的安培力向上，因为实验中用的金属片很轻，受到向上的安培力大于它的重力，所以能观察到金属片向上跳起，称为跳环实验。
第六步操作中，开关闭合瞬间，虽然两个线圈中都有电流通过，但因为两线圈中的电流方向是相反的，产生的磁场会抵消，穿过金属片的磁通量增加程度不如前二次实验，感应电流不够大，金属片跳不起来。
实施例8漏磁情形下探究变压器线圈两端的电压
实验目的：通过探究，进一步认识到变压比公式仅适用理想变压器，损耗较大的变压器副线圈实际电压明显低于理论值。
作为优选：低压电源（5）是低压交流电源；交流电压表（6）可用数字多用表，量程选择20v。自备漆包线，长度在1米至2米间比较合适，实验中的漆包线长度1.4米。
实验步骤：第一步，用小刀将1.4米长的漆包线两头的漆各刮去一小段，将漆包线的一头伸进变压器（4）的间隙，一圈一圈绕在变压器（4）一侧的铁芯上，绕完整的15圈（圈数视漆包线长度而定），两头放在桌面上。
第二步，变压器（4）的第一线圈（4a）通过开关（7）与低压交流电源（5）串联，选择交流电压6v输出挡，接通电源，用交流电压表（6）先后测出变压器（4）的第一线圈（4a）两端的输入电压和漆包线两端的输出电压。
探究提示1：若数字多用表有一支表笔与漆包线头接触不良（可能漆没刮干净）时，显示的电压值反而会提高一截（比理想情况的理论预测值也高）。因此，操作时，请改变表笔与漆包线头的接触位置多测几次，等读数稳定后再读数。并有意识地拿开一支表笔，观察多用表示数的变化。
第三步，断开电源，低压交流电源（5）换成交流电压4v输出挡，重新测量一次。
第四步，断开开关（7），拔掉插头，整理器材。
探究提示2：变压器（4）铁芯的形状是“
实验数据：步骤
实验结论：如果铁芯是“口”形的理想变压器，根据变压比公式
说明：本实施例中，也可选用变压器（4）的第二线圈（4b）或者第三线圈（4c）通过开关（7）与低压交流电源（5）串联的实验方案。
实施例9升压供电测试实验
实验目的：尝试利用变压器升压供电测试，知道小型变压器不是理想的。
低压电源（5）是低压交流电源，作为优选，小灯泡（3）的规格为6.3v、0.15a；交流电压表（6）量程选择20v。
实验步骤：第一步，变压器（4）的2n匝的第三线圈（4c）接上低压交直流两用电源（5），输出电压选择交流4v挡，4n匝的第一线圈（4a）对规格为6.3v、0.15a的小灯泡（3）供电，n匝的第二线圈（4b）空载。
第二步，将电源插头插入插座（电压220v），接通电源，观察小灯泡（3）发光情况。
探究提示：变压器（4）输入端接的是交流4v挡，实测输入电压4.5v左右，原、副线圈匝数比为1：2，注意观察额定电压6.3v的小灯泡会否损坏。
第三步，用数字多用表（6）测量变压器（4）的输入电压和输出电压（即小灯泡两端的电压），量程选择交流20v挡。
第四步，尝试解释实验现象，拔掉插头，数字多用表（6）开关拨到off位置，拆除电路，整理器材。
实验数据：某次实验中，供电时小灯泡（3）正常发光，测得变压器（4）输入电压为4.52v，测得副线圈输出电压为6.97v。
实验结论：变压器中的原、副线圈是绕在骨架上，且相互绝缘，它的工作原理是电磁感应中的互感原理。实验数据说明，变压器接小灯泡时的输出电压低于理想变压器变压比公式的预测值。这是因为变压器不是理想的，原、副线圈有较大的电阻，电流通过线圈时产生的发热损耗（铜损）较大，铁损也比空载时大，输出电压就降低了。而空载时线圈电流为零，铜损可忽略。
实施例10降压供电测试实验
实验目的：理解变压器降压供电原理。知道小型变压器不是理想的。
低压电源（5）是低压交流电源，作为优选，小灯泡（3）的规格为2.5v/0.3a；交流电压表（6）量程选择20v。
实验步骤：第一步，变压器4n匝的第一线圈（4a）接低压交直流两用电源（5），选择交流输出6v挡，2n匝的第三线圈（4c）线圈对规格为2.5v/0.3a的小灯泡（3）供电。
第二步，将电源插头插入插座（电压220v），接通电源，观察小灯泡（3）发光情况。
第三步，用数字多用表（6）测量变压器（4）的输入电压和输出电压（即小灯泡两端的电压），量程选择交流20v挡。
第四步，拔掉插头，多用表开关拨到off位置，拆除电路，整理器材。
实验现象：供电时小灯泡（3）正常发光，但变压器（4）接小灯泡时的输出电压低于变压比公式的预测值。
实验结论：变压器的原、副线圈匝数比为2：1，按照理想变压器的变压比公式，副线圈两端电压为输入电压的一半。某次实验中，变压器对小灯泡供电时，测得输入电压为6.87v，副线圈输出电压只有2.44v，原因是这个变压器不是理想的，线圈有电阻值，供电时铜损、铁损较大，输出电压比公式预测值低得多。
本技术方案具有以下的有益效果：
1.法拉第电磁感应定律是高中物理的一条重要定律，虽然已有学者提出了实验技术方案，但成本高，操作相对复杂。在高中物理实际教学中，限于中学实验室的条件，很难进行定量验证，教师只能结合物理学史直接介绍法拉第电磁感应定律，不利于学生的理解和掌握。本技术方案利用较简单的装置定量验证法拉第电磁感应定律，效果良好，成本也低（而且器材是与好多实验共享的）。
2．断电自感现象实验是中学物理课堂必做的演示实验，用学校的2446型自感现象演示器做断电自感现象实验，虽然能观察到小电珠闪亮一下熄灭，但还是会引起很多学生的误解，认为线圈产生的自感电动势不会超过原来的电源电压（因为电源电压4v，小电灯额定电压也是4v），同时，学校方案（只有一个大线圈）也无法探究影响实验效果的因素。本发明的技术方案中电源是3v（2节干电池），实施例2中，小灯泡规格为6.3v、0.15a，开关闭合时，小灯泡微亮，开关断开瞬间，6.3v小灯泡突然更亮一下熄灭。使学生对电路断电时，导致线圈产生的感应电动势比电源电压高得多，这一事实更加信服。在实验例3中，小灯泡规格改为2.5v、0.3a，电路中加进了变阻器，两个实施例中，变压器的三个线圈都分别在实验中进行了试验，让学生通过实验现象的分析比较中认识到，小灯泡更亮一下的第一个条件是：开关断开前通过线圈的电流比小灯泡的电流大得多；第二个条件是：线圈的的自感系数要足够大。而且还能理解线圈的自感系数与线圈的粗细和匝数有关，线圈越粗、匝数越多、加上铁芯，自感系数就越大。这些效果都是学校现有实验方案无法达到的。
3．学校现有实验方案只能简单演示一个线圈（电感器）对交变电流的阻碍作用。本发明方案的实施例2做的也是这个实验，因为变压器中三个线圈的线径和匝数设计得恰到好处，在实验中三个线圈对交变电流的阻碍作用相差较大，恰好代表了三种典型情况，达到了比较完美的实验效果。4n匝的第一线圈（4a）线径粗，自感系数较大，在本实验中起到“通直流，阻交流”的作用，可认为是一个低频扼流圈。n匝的第二线圈（4b）线径细，自感系数较小，能允许低频交变电流通过线圈，但也有阻碍作用，可认为是一个高频扼流圈。2n匝的第三线圈（4c）表现出来的特性介于两者之间。
4．“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验被教材安排为课堂探究实验和学生实验。这个需人人动手的学生实验在大多数学校中，形同虚设，主要原因是，用学校器材（变压器）得到的实验结果与理论预测值相差太大。因为学校里的“教学用可拆变压器”，空载时损耗（漏磁及铁芯涡流等）也较大，副线圈测得的电压值不到理论预测值的80%（结果为75%左右）。而用本发明中的变压器做本实验时，空载时副线圈测得的电压值达到理论预测值的99%以上。这样，总结得到理想变压器的变压比公式是水到渠成的事，可信度高。在本发明方案的实施例5中，又在供电情形下探究变压器线圈两端的电压。通过测量发现供电情形下，变压器两个副线圈的输出电压都比公式
5.本技术方案可完成电磁感应相关的二十个以上实验（稍增加点器材），包括探究感应电流的产生条件（磁铁靠近线圈）、探究感应电流的产生条件（模仿法拉第的实验）、探究判定感应电流方向的方法（楞次定律）、定量探究法拉第电磁感应定律（一）、定量探究法拉第电磁感应定律（二）、断电自感现象探究（一节干电池点亮220v的照明灯）、断电自感现象探究（安全体验电击实验）、断电自感现象探究（小灯泡实验方案）、探究影响断电自感效果的因素、通电瞬间自感现象的探究实验、探究电感器对交变电流的阻碍作用、断电互感现象探究（一节干电池点亮220v的照明灯）、断电互感现象探究（安全体验电击实验）、通电瞬间互感现象探究（跳环实验）、探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系（定量探究法拉第电磁感应定律三）、升压供电测试实验、降压供电测试实验、探究变压器接直流电源时能不能传输电能、供电情形下探究变压器线圈两端的电压、漏磁情形下探究变压器线圈两端的电压等，效果良好，成本也低。本技术方案进一步解决高中物理实验问题，更好地培养学生的物理实验能力。
本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！