楞次定律演示實驗器的創新設計

1 引言

楞次定律是高中物理中的重要內容，但是學生比較難于接受，無論老師怎樣講解，很多學生還是不能深入地理解其基本原理。必須使用實驗儀器演示，才能更好的說明問題。目前使用的鋁環楞次定律演示器，演示效果不是十分理想。為能更好的演示楞次定律實驗，我們設計了一個新型楞次定律演示器。它制作簡單，實驗演示現象明顯直觀，便于老師講解，讓同學們學習楞次定律時，使深奧難懂的物理規律變得形象化，從而使同學們對物理產生深厚的興趣。

2 材料

（1）漆包線（0.49mm)；(2)木板；（3）有機玻璃管；（4）開關；（5）發光二極管；（6）圓形磁鐵；（7）鐵片。

3 制作過程

（1）線圈的繞制。有繞線機的可以做一個子模，子模的直徑跟玻璃管的直徑一樣大（直徑為3厘米），繞線300匝左右，然后用細線固定線圈，這樣就制成了一組線圈。共繞制28組線圈（如果沒有繞線機的，可以直接在玻璃管上繞制，然后用細線固定線圈，這樣很費時間），以備下一步制作。

（2）取一長約1.2米的玻璃管，直徑為3厘米，在玻璃管上每間隔4厘米處套上一個線圈，這樣制成了一根環繞線圈玻璃管。

（3）制作木架一個，把繞有線圈的一根玻璃管和一根不繞線圈的玻璃管并排安裝在木架上（圖1）。并在木架上均勻安裝28個開關，在中間位置裝上一排發光二極管，把開關、線圈、發光二極管聯成串聯電路，電路如圖2所示。

4 原理

楞次定律就是產生的感應電流的磁場總要“阻礙”原磁通量的變化。若閉合線圈的磁通量增加，則感應電流磁場總要阻礙原磁通量的增加，即感應電流磁場的方向就與原磁場的方向相反，當磁鐵進入線圈時，線圈中的磁通量增加，線圈產生的感應電流磁場方向與原磁場方向相反，阻礙磁鐵進入線圈。因此，會造成磁鐵下降的加速度減少，使磁鐵速度增加變慢。若閉合線圈的磁通量減少，感應電流磁場就要阻礙原磁通量的減少，即感應電流磁場方向會與原磁場的方向相同，阻礙磁鐵從線圈出來。因此，也會造成磁鐵下降的加速度減少，使磁鐵速度增加變慢。新型楞次定律演示器，每一組線圈上都安裝一個開關，用以切斷或閉合線圈，當磁鐵從有線圈的玻璃管中通過時，磁鐵運動情況在透明的玻璃管中看得很清楚，當開關打開或閉合時，磁鐵的下降快慢明顯不同，從兩根玻璃管中磁鐵運動的速度比較，從而形象清楚地說明了楞次定律中“阻礙”的深奧原理。另外，用發光二極管顯示線圈中是否有電流，形象地說明線圈中有電流磁場的存在，并說明磁鐵與線圈的能量交換。

5 實驗步驟

（1）先將儀器上的所有開關呈斷開狀態，把兩塊相同的磁鐵從兩根玻璃管的上口處同時無初速釋放，觀察兩塊磁鐵在玻璃管中下降的快慢，可看到兩塊磁鐵運動的快慢相同。說明了磁鐵雖然在線圈中下降運動，但由于線圈呈開路狀態，線圈中只產生感應電動勢，不產生感應電流，沒有感生電流的磁場，對運動的磁鐵不產生阻礙作用，因此，兩塊磁鐵在兩根玻璃管中運動快慢一樣，說明了兩塊磁鐵在兩根玻璃管中運動的環境條件相同。

（2）將下半段各線圈的開關閉合，再作對比試驗，把兩塊相同的磁鐵從兩根玻璃管的上口處同時無初速釋放，觀察兩塊磁鐵在玻璃管中下降的快慢，在上半段兩塊磁鐵的運動快慢一樣，下半段可明顯看出在有線圈的玻璃管中的磁鐵下降慢得多，另外我們還看到在有線圈玻璃管中的磁鐵上半段下降的速度大于下半段的速度，說明磁鐵在上半段線圈中下降運動時，線圈對運動磁鐵不能產生阻礙作用，在下半段線圈中運動時，線圈對運動的磁鐵就能產生阻礙作用。同時還看到二極管發光，學生一看，就知道線圈中有電流通過，感應電流的磁場阻礙原磁場的變化，對磁鐵下降的運動有阻礙作用，因此，下降的運動會慢些。

（3）將儀器上各線圈的開關都閉合，把一塊磁鐵從有線圈的玻璃管上口處無初速釋放，仔細觀察磁鐵在玻璃管中下降的運動情況，發現磁鐵在上半段（線圈中末接二極管）運動較慢（接近勻速），到下半段（線圈中裝有二極管）突然變快些。這是由于上半段的線圈中未安裝二極管，回路總電阻小，產生感應電流大，感應電流的磁場強，對磁鐵運動的阻礙作用大，而下半段的線圈中接入二極管，回路總電阻大了，產生的感應電流小了，感應電流的磁場弱，對磁鐵運動的阻礙作用小，因此，磁鐵在下半段下降運動突然加快。這現象從能量轉化與守恒角度也可進行解釋。

(欄目編輯王柏廬)