楞次定律實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

施朝群 朱向陽

(信豐中學(xué) 江西 信豐 341600)

上世紀(jì)80年代至今，各種版本的教材中，都是利用磁鐵插入和拔出線圈的實(shí)驗(yàn)方法，通過觀察感應(yīng)電流的方向去判斷感應(yīng)電流的磁場方向，從而分析得出楞次定律.這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)讓學(xué)生通過觀察感應(yīng)電流的方向去判斷感應(yīng)電流的磁場方向，而又總結(jié)出由感應(yīng)電流的磁場方向去判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律，其邏輯關(guān)系使學(xué)生在認(rèn)識上感到相當(dāng)困惑.

筆者利用“來躲離追”現(xiàn)象設(shè)計(jì)楞次定律實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接反映“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”，從而得出楞次定律.經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使楞次定律的教學(xué)層次變得簡單明了、邏輯性強(qiáng)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，利于學(xué)生對定律的理解和掌握.

1 設(shè)計(jì)思想

用釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵靠近或離開可靈活移動的線圈時，線圈中感應(yīng)電流激發(fā)的磁場由于阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，迫使線圈跟隨磁鐵同向運(yùn)動，形成“來躲離追”的現(xiàn)象.根據(jù)磁極間相互作用規(guī)律，直接判斷出感應(yīng)電流的磁場方向，從感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向之間的關(guān)系，總結(jié)出楞次定律.

2 制作材料

8 cm×8 cm×2 cm釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵(學(xué)生實(shí)驗(yàn)可用5 cm×5 cm×1 cm規(guī)格)1塊，塑料材質(zhì)的玩具小車1個，寬100 mm的PVC線槽板蓋1根(電工敷設(shè)線路用材)，寬38 mm的PVC線槽板1根，紅、藍(lán)光5 mm LED各 1個，直徑0.5 mm漆包線、直徑0.1 mm漆包線，中性筆筆芯等.

3 裝置制作

楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為“楞次定律演示車”和“楞次定律實(shí)驗(yàn)車”，前者用于教師教學(xué)演示楞次定律現(xiàn)象，后者用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究楞次定律.

3.1 楞次定律演示車的制作

把小車上含鐵磁類的部件和其他多余部分去除干凈，車輪軸換用粗細(xì)合適的銅線.用直徑0.1 mm漆包線繞成3 000匝左右的線圈，線圈直徑約10 cm，并用鋁片固定在線槽盒上.線圈的2根線頭與2個反向并聯(lián)的LED連接，LED安裝在豎直薄板上，薄板固定在線槽盒上，再用膠帶把線槽盒固定在小車上.在長20 cm的PVC水管的一端固定1段鐵棒，鐵棒吸附在磁鐵上，水管便成使用方便的磁鐵手柄.把小車放在寬10 cm的PVC線槽板蓋或平滑桌面上，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，如圖1所示.

圖1

3.2 楞次定律實(shí)驗(yàn)車的制作

如圖2所示，用直徑0.5 mm漆包線繞成100匝左右的閉合線圈，線圈直徑約7 cm，并用鋁片和膠帶固定在線槽盒(去除盒蓋)上.在平滑的桌面上放2根中性筆筆芯(去除筆頭)，把帶線圈的線槽盒放在筆芯上，以筆芯代替車輪減小摩擦.

圖2

4 實(shí)驗(yàn)方法

“楞次定律演示車”用于教師演示楞次定律現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)線圈與磁鐵之間“來躲離追”和感應(yīng)電流使LED發(fā)光的現(xiàn)象；“楞次定律實(shí)驗(yàn)車”用于學(xué)生分組探究楞次定律，實(shí)驗(yàn)只呈現(xiàn)線圈與磁鐵之間 “來躲離追” 的現(xiàn)象.

把磁鐵(N或S極)由遠(yuǎn)漸近推向線圈(不與線圈接觸)，可看到線圈和小車跟隨磁鐵同向運(yùn)動(圖1中還可看到其中一個LED發(fā)光).實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使線圈與磁鐵相對端形成的磁極，與磁鐵的磁極同名.說明感應(yīng)電流的磁場是“反抗”原磁通量的增加.

把磁鐵(N或S極)靠近線圈，然后向外拉動，使磁鐵離開線圈，可看到線圈和小車跟隨磁鐵同向運(yùn)動(圖1中還可看到其中另一個LED發(fā)光)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使線圈與磁鐵相對端形成的磁極，與磁鐵的磁極異名.說明感應(yīng)電流的磁場是“補(bǔ)償”原磁通量的減少.

分析、綜合上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可得出楞次定律：感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.

楞次定律的應(yīng)用――驗(yàn)證感應(yīng)電流的方向.先利用楞次定律和安培定則理論分析、判斷：當(dāng)磁鐵(N或S極)快速移近或離開“楞次定律演示車”的線圈時(告知學(xué)生線圈的繞向)，判斷出線圈中感應(yīng)電流的方向，根據(jù)LED的單向?qū)щ娦裕_定圖1中2個反向并聯(lián)的LED發(fā)光情況.然后使磁鐵(N或S極)快速移近或離開線圈，根據(jù)2個反向并聯(lián)的LED實(shí)際發(fā)光情況，可驗(yàn)證理論判斷的感應(yīng)電流方向是正確的.