DIS背景下“发电实验”赏析

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．