“電磁感應”中三個自制實驗的妙用

曹 會 張 飛

(江蘇省外國語學校,江蘇 蘇州 215104)

“探究感應電流產生的條件”、“楞次定律”、“法拉第電磁感應定律”是“電磁感應”的核心內容.這三節均是以實驗為基礎而總結出規律的教學,所以實驗是教學成功的關鍵因素.筆者根據教學需要“量身定制”了3套實驗裝置,謹以此文與大家分享.

1 “探究感應電流產生的條件”演示實驗

1.1 原有實驗不足

教材以“切割磁感線”的抽象化模型來說明面積的改變也可以產生感應電流.筆者認為此實驗原有“切割”結論的定勢思維已經形成,不利于說明面積改變的這一因素.本節課課本給出的實驗裝置均無法改變閉合回路與磁場之間的角度,更無法進一步全面綜合探究分析.

1.2 所需器材及裝置(見圖1)

圖1

純凈水桶(桶直徑約27cm)2只、漆包線(直徑0.71mm)約700m、裝修用塑料天花板50cm(可用木板代替)、滑動變阻器(50Ω)、電動自行車充電器(36V,提供較高電壓直流電,增強勻強磁感應強度)、兩片細木板、螺絲釘8只、寬透明膠帶、軟質線圈、靈敏電流計、電鍵、導線若干.

1.3 制作要點

用鋼鋸把兩只桶從適當處鋸開獲得如圖1所示兩段.用銼刀把鋸口打磨平整以免實驗操作時傷手,再利用兩段桶的凹槽部分(寬約8.5cm)按照同一方向纏繞漆包線,每一只桶分別纏繞4層(約400匝).為了保護漆層,每層漆包線外用寬透明膠帶纏繞一層.把繞制好的兩只大螺線管導線串聯起來,并用兩條細木板通過螺絲釘連接固定如圖1所示.兩段桶間留一定的距離(約15cm)以保證一只手方便操作為宜,塑料天花板鋪放在其間充當線圈運動的操作臺.漆包線線頭均用細沙紙除去漆層.用帶鱷魚夾導線把電動自行車充電器正負極與圖1中兩接線頭相連.

1.4 改進后實驗優點

自制的兩只通電大螺線管間提供了一個較大的勻強磁場區域,從而給操作者搭建了一個靈活探究的“舞臺”,使感應電流產生條件的相關因素能夠通過此磁場區域全面進行探究.

1.5 實驗操作及應用

(1)把電動自行車充電器、電鍵、滑動變阻器、自制大螺線管連接成回路,軟質線圈與靈敏電流計組成另一回路.

(2)接通電源,閉合電鍵,僅把軟質線圈沿著操作臺平移進磁場區域過程中,發現有感應電流產生,學生認為此現象可以用“切割”理論解釋.線圈繼續進入勻強磁場區域移動,沒有感應電流產生,切割理論解釋碰到困難,發生認知沖突！激發學生猜想:感應電流的產生與磁場變化有關.然后再斷開、閉合電鍵或者改變滑動變阻器阻值來驗證猜想.

(3)閉合電鍵,保持自制大螺線管中電流不變,則勻強磁場磁感應強度不變.只改變軟質線圈面積,發現也會有感應電流,得到結論:閉合線圈的面積變化也可以引起感應電流.進而轉動線圈實現線圈平面與磁場之間角度的改變,也有感應電流產生.

總結以上結論發現:以上3個因素均是導致磁通量發生變化的誘因,進而得出最終結論.

2 “楞次定律”中的“來拒去留”實驗

2.1 原有實驗不足

圖2

“楞次定律”教材課后習題第6題的小實驗如圖2所示.此實驗“來拒去留”現象較好地詮釋了楞次定律的正確性,但筆者發現若采用磁性較弱的磁鐵實驗時,因阻力作用及加速度較小等因素不會出現明顯的“來拒去留”現象,輕微的轉動現象很容易被學生誤解為手拿磁鐵運動引起空氣流動導致.若采用強磁鐵(釹磁鐵)進行實驗時,則會意外發現不閉合鋁環也會出現“來拒去留”的現象,主要原因是實驗室成品儀器鋁環厚度較大,容易產生渦流,從而產生上述現象.

2.2 所需器材及裝置(見圖3)

圖3

鋁質“易拉罐”2只,輕質吸管,透明膠帶,鉛筆(或圓珠筆),強磁鐵(釹磁鐵).

2.3 制作要點

用剪刀把一只“易拉罐”裁剪出寬約1cm兩截鋁環,用細沙紙把邊沿打磨平整,用膠帶把兩只鋁環固定在吸管兩端,其中一只鋁環剪斷成不閉合鋁環.用電烙鐵尖端輕輕的在吸管中點位置點出一個稍比圓珠筆頭大點的孔(注意不要把小孔對著的吸管壁弄破),把鉛筆(或圓珠筆)筆尖插入小孔倒立插入另一只“易拉罐”中,并調整筆桿保持豎直穩定.

2.4 改進后實驗優點

此裝置取材方便,制作簡單,可以讓學生課前每人制作一套器材進行學生實驗,鉛筆(圓珠筆)筆尖與吸管壁間摩擦較小,利用“易拉罐”所做的鋁環及吸管質量較輕,產生加速度較大.鋁環較薄減弱渦流發生而避免不閉合鋁環出現“來拒去留”的現象.

2.5 實驗操作及應用

(1)磁鐵靠近和遠離不閉合鋁環,沒有任何現象產生,說明無感應電流產生,磁鐵與鋁環間無相互作用.

(2)磁鐵靠近和遠離閉合鋁環,有“來拒去留”現象,是什么原因造成的呢？激發了學生討論:閉合鋁環中產生了感應電流,感應電流產生了感應磁場,感應磁場與原磁場間產生了力的作用.當靠近時相互排斥,則說明感應磁場與原磁場方向相反,阻礙了鋁環中磁通量的增加;當遠離時相互吸引,則說明感應磁場與原磁場方向相同,阻礙了鋁環中磁通量的減少,進一步總結出感應磁場與原磁場間“增反減同”的本質.

3 “法拉第電磁感應定律”演示實驗

3.1 原有實驗不足

“法拉第電磁感應定律”課堂教學中,需要演示感應電動勢與磁通量變化量、感應電動勢與磁通量變化時間之間的定性關系.筆者用教材中“楞次定律”的實驗重做演示實驗時發現:無法準確控制磁通量變化量一定和變化時間一定,教師隨意性的實驗演示缺乏規范性,在此基礎上的推理缺乏嚴謹性.

3.2 所需器材及裝置(見圖4)

圖4

可拆卸變壓器線圈1只,教師用木制三角板,開口有底的透明白酒塑料包裝盒(以下簡稱“包裝盒”),條形磁鐵,寬透明膠帶,靈敏電流計,導線2根.

3.3 制作要點

用寬透明膠帶把線圈固定在三角板的直角端點處,用導線把靈敏電流計與線圈連接好,把三角板的另一端搭在鐵架臺支架上即可.

3.4 改進后實驗優點

此實驗具有取材方便、操作簡單、現象明顯、課堂耗時短等特點.利用裝置可以控制磁通量定量改變,改變三角板與桌面間角度,就可以達到改變磁鐵運動時間的目的,規避了原來手拿磁鐵直接插入螺線管隨意性的缺點.

3.5 實驗操作及應用

(1)用膠帶把包裝盒固定在三角板的長直角邊上,條形磁鐵放在有底的包裝盒內,控制磁鐵每次在盒內下滑的起點不變(保證磁通量變化一定),改變三角板與桌面之間的角度(保證下滑時間改變),觀察電流計偏轉的最大角度.實驗發現,三角板與桌面之間角度越大,磁鐵下滑越快,感應電流越大.

(2)三角板與桌面之間的角度固定不變(下滑時間固定,磁鐵與線圈間的作用力變化的影響可忽略不計),改變包裝盒相對線圈的位置,控制磁鐵每次在盒內下滑的起點不變,從而改變磁通量變化的大小(如圖5,選取條形磁鐵磁感線軸向分布的不同階段的相同距離,線圈中磁通量變化不同).觀察電流計偏轉的最大角度,發現包裝盒離線圈越近時,磁鐵運動相同位移情況下,線圈平面內磁通量變化越大,感應電流越大.

圖5

(3)僅改變線圈的接入匝數,觀察電流計偏轉的最大角度,發現接入匝數越多,感應電流越大.

總結以上三個控制變量法得出的結論,可以定性得出感應電動勢與磁通量變化率及匝數之間的關系.