雙管對比式楞次定律演示裝置

莊明偉,余志文,梁 爽,李保申,梁志強

(1.山東交通學院數理系,山東濟南250023; 2.東北大學信息科學與工程學院,遼寧沈陽110819; 3.山東大學威海分校數學與統計學院,山東威海264209)

雙管對比式楞次定律演示裝置

莊明偉1,余志文2,梁 爽3,李保申1,梁志強1

(1.山東交通學院數理系,山東濟南250023; 2.東北大學信息科學與工程學院,遼寧沈陽110819; 3.山東大學威海分校數學與統計學院,山東威海264209)

利用圓柱形強磁鐵在銅管中下落并與同尺寸圓柱形鐵塊自由下落相對比以驗證感應磁場對強磁鐵的阻礙作用,再利用螺線管配合發光二極管演示強磁鐵進出螺線管時感應電流方向的變化,從兩方各面驗證了楞次定律.另外,利用本裝置還可測量閉合回路中的感應電流等物理量.裝置結構簡單且可拆卸,具有組裝快捷,操作方便等特點.

楞次定律;強磁鐵;感應電流

1 引 言

楞次定律是德國物理學家海因里希·楞次1834年發表的,可表述為:閉合導線回路中出現的感應電流,總是阻礙產生感應電流的原因.演示楞次定律的裝置有多種,例如:

1)旋轉式演示裝置

將強磁鐵分別插入、拔出閉合的金屬環和有缺口的金屬環,觀察懸臂的運動.此裝置可演示阻礙作用,但不易直觀演示感應電流方向的變化規律,且金屬環面積較小時,磁鐵移動易與其發生碰撞,影響演示效果.

2)電流表式演示裝置

將螺線管兩端引線與電流表串聯組成閉合回路,根據表針偏轉判定感應電流方向.此裝置可演示電流方向的改變,但不能直觀地觀察到“阻礙作用”.

還有其他諸多類型的演示裝置[1-4],但與上述兩例類似,在演示楞次定律方面均存在一定缺憾,演示效果尚待改善.

2 雙管對比式演示裝置

2.1 演示裝置的結構

楞次定律表明,閉合回路中的感應電流產生的磁場,總是阻礙穿過該回路磁通量的變化.回路中感應電動勢、感應電流的表達式為[5]

期望裝置不僅能夠演示“阻礙作用”,同時還能展現“感應電流方向的變化”,從而較全面驗證楞次定律.另外還期望裝置具有演示效果顯著、操作方便等特點.

為了直觀、顯著地演示“阻礙作用”,選用了銅管.因為銅管相當于密繞螺線管,同時又具有電阻較小的特點,所以微小的磁通量變化就可以產生足夠大的感應電流,從而獲得較顯著的演示效果.所取銅管內徑為16 mm,長度為1 m.

發光二極管具有能耗低、亮度高、單向導通等特點,可以用來直觀顯示強磁鐵進出螺線管時感應電流方向的變化.首先將5支紅色發光二極管同向并聯,再將另一組發光二極管(最好為不同色彩且反差較大)組合,將2組二極管反向并聯在螺線管引線的兩端并固定在鋁塑板材上,如圖1所示,再將相關電路圖畫在鋁塑板材上以便示教.選用直徑15 mm、高15 mm的圓柱形強磁鐵和尺寸相同的圓柱形鐵塊各1枚,作為螺線管、銅管中的下落物體.

螺線管由φ=1 mm的漆包線密繞在PVC管上制成.纏繞前將PVC管壁挖成網狀,以增大螺線管的磁通量變化率,獲得較理想的演示效果.

演示時,將銅管、螺線管豎直固定于鋁塑板材上,整個裝置由三足實驗支架支撐如圖1所示.銅管、螺線管與鋁塑板材可拆卸分離放置.

2.2 演示實驗

1)感應電流方向變化的演示:如圖1讓圓柱形強磁鐵N極向下從螺線管中下落,可觀測到紅色二極管先亮,綠色二極管后亮.若強磁鐵S極向下下落,則先觀測到綠色二極管先亮,紅色二極管后亮.

圖1 雙管對比式欏次定律演示裝置原理圖和實物圖

2)阻礙效應的演示:若讓圓柱形強磁鐵從銅管中下落,可直觀演示感應電流產生的阻礙效果.強磁鐵在銅管中下落用時約14 s,而圓柱形鐵塊用時約1 s(管壁存在摩擦),對比效果顯著.

3 結論與討論

1)由演示實驗可知:圓柱形強磁鐵進、出螺線管均產生感應電流,且方向相反,說明線圈磁通量的變化引起感應電流的變化.再結合圓柱形強磁鐵在銅管中下落的時間較長,說明感應電流產生的效果總是阻礙強磁鐵在銅管內的運動,阻礙產生感應電流的磁通量的變化.由此較全面地驗證了楞次定律.

2)由以上論述還可得如下結論:若已知閉合回路的電阻,利用本裝置又測得相應感應電流,則由(2)式就可得到閉合回路中感應電動勢的數值.反之,則可獲得閉合回路感應電流或電阻等物理量.從而給出一種驗證電磁感應定律可行的途徑.再者,結合其他儀器還可研究強磁鐵在銅管或螺線管中下落時所受磁力等問題.

[1] 王鳳林,楊紅.如何增強渦流管課堂演示實驗的效果[J].大學物理,2006,25(10):53-54.

[2] Ochoa O R,Kolp F.Quantitive demonstration of Lenz’s Law[J].Phys.Teach.,1998,36(1):50-51.

[3] 姜洪喜,杜廣環.楞次定律演示實驗設計[J].物理實驗,2004,24(11):34-35.

[4] 劉立鋼,趙學平.楞次定律實驗驗證——磁炮[J].大學物理實驗,2009,15(3):46-51.

[5] 陳鵬萬.電磁學[M].北京:人民教育出版社,1978: 193.

Double barrel demonstrator of Lenz law

ZHUANG Ming-wei1,YU Zhi-wen2,LIANG Shuang3,LI Bao-shen1,LIANG Zhi-qiang1
(1.Department of Mathematics&Physics,Shandong Jiaotong University,Jinan 250023,China; 2.College of Information Science&Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 3.College of Mathematics&Statistics,Shandong University,Weihai 264209,China)

This paper presents the improvement scheme of a Lenz law demonstrator aimed to solve some problems of the current instruments.The dropping process of a powerful magnet in a copper tube is compared with that of an iron bulk with the same size and shape to verify the resisting effect of an induced magnetic field to the magnet.The directions of an induced current in a solenoid are visualized using two groups of light-emitting diodes when the powerful magnet passes through the solenoid.

Lenz law;powerful magnet;induced current

G633.7

A

1005-4642(2010)06-0023-02

[責任編輯:尹冬梅]

2009-11-06;修改日期:2010-03-02

教育科學“十五”國家級重點課題子課題項目(No.AIA050007-13);山東交通學院學生學術科技活動項目;山東交通學院教改項目(No.J G2008007);山東省基礎學科建設專項資金項目

莊明偉(1988-),男,福建三明人,山東交通學院數理系應用物理專業2007級本科生.

指導教師:梁志強(1955-),男,山東萊陽人,山東交通學院數理系教授,學士,主要從事理論物理及物理教學研究.