探究電磁阻尼現象實驗組和教具

何欣城

初中課本中簡單地介紹了電磁感應現象，使學生初步了解了“磁生電”的方法。而在高中課本中的相關章節，除電磁感應的概念、分析、計算和應用外，還有一種叫電磁阻尼的現象與之相關，這些現象如果能一一展示給學生，會大大激發他們的學習興趣。

為幫助學生理解、掌握電磁感應的相關知識，我萌生了自制教學儀器的想法。透過儀器分析這些生動有趣的現象，學生能將電磁感應、楞次定律、電磁阻尼這三方面的內容緊密地結合在一起思考，這對鍛煉學生的物理思維能力、拓寬學生視野等有很大作用。

一、教具制作

本組合教具包括以下三種常見的電磁阻尼現象實驗裝置，制作與演示方法如下：

（一）渦流制動

1.材料：“蹄形強磁鐵”（由兩片長方形強磁體、U型鐵塊組成）、鋁盤（帶支持架）。

2.演示方法：如圖1所示，撥動鋁盤，使鋁盤高速轉動，讓“蹄形強磁鐵”靠近鋁盤，鋁盤在磁體兩極之間的磁場中轉動。可以看出，加入磁場后，鋁盤轉動速率明顯減小，很快就停下來。

3.原理：鋁盤在蹄形磁鐵的磁場中轉動，會在鋁盤中激起渦流，渦流與磁場相互作用產生動態阻尼力，從而提供制動力矩，使鋁盤迅速停下來。

4.制作要點：實驗用的鋁盤、連接鋁盤的安放架及U型鐵塊，都是從廢舊電能表上拆下來的。

根據電磁感應公式ε= n（ΔΦ/Δt），要產生更大的動態阻尼力，要求磁場足夠大。所以需使用強磁體，以增強實驗效果。

另外，局部磁場的強弱還與磁體形狀有關，同時靠近兩個磁極，比只能利用一個磁極的磁場要強得多，這也是制作“蹄形強磁鐵”的原因。

（二）電磁阻尼管

1.材料：空心不銹鋼管、圓柱形強磁鐵若干、竹子段若干（作為填充物）、兩個銅環（其中一個有缺口）。

2.構造：如圖2所示，將強磁鐵與填充物間隔著塞滿空心不銹鋼管。鋼管下端安裝底座，銅環用粗銅線繞成，以剛好穿過不銹鋼管為宜，其中一個銅環兩端要焊接在一起，另一個保留缺口。

3.演示方法：將兩個銅環放入不銹鋼管口，閉合的在上，有缺口的在下，使兩個線圈沿管壁下落，閉合的銅環從不銹鋼管上緩慢下落，有缺口的線圈則以近似自由落體的方式正常下落。

4.原理：閉合導體穿過磁極時切割磁感線，產生感應電流，導體受到總是阻礙相對運動的安培力的作用，所以閉合銅環的下降速度較慢。而開口銅環沒有感應電流，不受安培力，按照近似自由落體的規律下落。

5.制作要點：管內磁鐵與填充物應間隔均勻分布，而不能只用磁鐵裝滿或將磁鐵集中在一起。如果磁鐵都集中在一起，就相當于一塊很長的條形磁鐵，雖然兩極磁感線較密集，但中部的磁感線近似與磁鐵自身平行，銅環通過這段時，磁通量變化極小，不減速，實驗效果差。

銅環質量均勻，而且不能太小。質量均勻下落時才能平衡。銅環質量太小，摩擦力減速的作用本身就已很明顯，安培力的作用不易分辨。

（三）電磁阻尼擺

1.材料：圓形厚鋁片兩塊（可用舊版一角硬幣代替）、圓柱形強磁鐵、支架、線。

2.構造：如圖3所示，將圓形鋁片中心穿孔，掛在支架兩側，注意使兩側鋁片處于同一高度，在其中一側安放磁鐵，磁場對準鋁片。

3.演示方法：將兩側鋁片拉升到同一高度，同時釋放，可以看到，經過磁場一側的擺的擺動幅度會有明顯衰減，先于另一側停下來。

4.實驗原理：有磁場一側的鋁片通過磁場時，鋁片的磁通量發生變化，產生感應電流，機械能轉化為熱能，先停下來。

5.制作要點：擺片材料所含鐵雜質要足夠低，且質量不能太大；磁場范圍的大小應與擺片大小相當。

二、創新性

1.針對性強，效果明顯。

2.成本低廉，構造簡易。

本教具組裝方便、造價不高，既能培養學生動手能力，又能改善教師的教學效果。endprint