對“感生電場演示儀”的改進*

席江華 熊小蘭

(江西省樟樹中學 江西 樟樹 331200)(江西省樟樹第三中學 江西 樟樹 331200)(收稿日期：2016-06-02)

?

對“感生電場演示儀”的改進*

席江華 熊小蘭

(江西省樟樹中學 江西 樟樹 331200)(江西省樟樹第三中學 江西 樟樹 331200)(收稿日期：2016-06-02)

變化的磁場會在其周圍空間激發感生電場，感生電場作用于導體中的自由電荷，產生感應電動勢，形成感應電流．針對教材提供的實驗案例使用交流電的不足，提出改進方案，有利于師生動手實驗，揭示感應電動勢的產生機理．

感生電場 非靜電力 制作改進 演示儀

英國物理學家麥克斯韋在法拉第電磁感應定律研究的基礎上，進一步發展了法拉第的電磁理論，認為磁場變化時會在空間激發一種電場，這種電場與靜電場不同，它不是由電荷產生的，即使磁場周圍不存在導體回路，這種電場依然存在，通常稱之為感生電場或渦旋電場[1]．科學發展到今天，變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場，變化的電場和磁場交替產生傳播形成電磁波，這些猜測不僅早已得到證實，并在日常生活和現代科學研究中發揮著巨大的作用，如家用電磁灶，無線電通訊，電子感應加速器等的應用．

上述知識的學習，對高中學生來講是比較抽象，人教版《物理·選修3-2》“感生電場”部分的教學，對應的教師教學參考書中設置了如圖1所示的實驗[2]，該實驗由于要使用市電，出于安全考慮，教學演示或學生自主探究很少使用．

圖1 “感生電場”教學教師教學參考書設置實驗

為使學生真正自主探究變化的磁場產生感生電場，我們對教參提供的演示實驗進行了改進，將市電用手機電池替代輔以變頻開關，獲得類似市電的交變電流．將鎢絲小燈泡用LED替代，從而使微弱的感應電流就能驅動其發光．用改進后的裝置進行實驗探究，收到了很好的教學效果，現介紹如下．

1 直流模擬交流電源及元件自制

如圖2所示，左側部分為直流模擬交變電流的原理圖，將單刀雙擲開關的1，4接線柱相連，將2，3接線柱相連，直流電源接入3，4端，當雙擲開關交替接觸1，2和3，4接線柱時，中心頭5，6輸出端將輸出交變電流．

圖2 直流模擬交變電流的原理圖

為使演示效果更佳，我們用廢舊萬用表制作了一變頻開關，其工作原理如圖3所示，實物圖如圖4所示．

圖3 變頻開關原理圖

我們找來一廢舊多用電表(南京某電子儀表廠生產的MF47型多用表)，仔細觀察其擋位轉動開關及內部結構，其上有半徑不同的3圈銅片，取半徑最大的外圍兩圈環狀金屬片，圓圈上分布有內、外徑不同的兩組各24塊金屬銅片(有粘連的小心沿半徑方向將其截斷)，使其成如圖3所示的原理圖形狀．將內、外銅片按圖所示用銅導線交替連接，確保滑片P1，P2與P同軸旋轉時，通過1，2輸入的直流電源在滑片的作用下，能使與滑片P1，P2連接的5，6端輸出的電源極性是交替變化的，當滑片P的轉速較快時，5，6兩端輸出的就是頻率較大的交流電．

2 線圈的制作方法

為使線圈B在交變電流作用下激發的變化磁場產生的感生電場，對A線圈電荷的作用形成的感應電流能夠驅動發光元件發光，我們將小電泡用LED替代，這樣，微弱的感應電流就能促使LED發光．

為使線圈A在變化的磁場形成的感生電場作用下，產生足以驅動LED發光的感應電動勢，線圈A的匝數應較多，選用汽車裝飾元件“太陽能蘋果花”中的驅動線圈，該線圈線徑細、匝數多，用在此處效果好，線圈A實物如圖5所示．

圖5 線圈實物圖

線圈B用線徑0.2 mm的漆包線在直徑2 cm的PVC管上繞350匝，PVC管中加入鐵氧體磁芯，線圈B實物如圖5所示．

3 演示方法

將實驗裝置按如圖3所示連接線路，手機電池接入變頻開關的1，2端，變頻開關的5，6輸出端接線圈B，將線圈A置于線圈B的上方，如圖6所示．當變頻開關旋轉時，通入螺線管B中的電流交替變化，使穿過螺線管的磁場隨時間變化，這一變化的磁場使線圈A連著的LED發光．

圖6 旋轉變頻開關觀察實驗現象

4 原因分析

LED發光，表明線圈B中的磁場變化時導致了線圈A中的電荷做定向運動，那么電荷定向運動的作用力是什么力呢？這一作用力不會是洛倫茲力，因為磁場對靜止電荷不會有洛倫茲力作用；也不可能是靜電力，靜電力是電荷間的相互作用力，與磁場無關．這一作用力只能是變化的磁場產生的，因為變頻開關不轉動，LED不亮，變頻開關轉動，LED亮．

變頻開關的作用導致流入線圈B中的電流交替變化，線圈B中形成變化的磁場，這一變化的磁場在周圍空間產生一個電場——感生電場，感生電動勢的非靜電力就是感生電場對電荷的作用力．

還可引導學生進一步分析：不管A線圈存不存在，只要變頻開關轉動著，通過線圈B中的電流發生變化，線圈B中就會產生變化的磁場，這一變化的磁場就會在其附近空間產生出感生電場．A存在，這一感生電場作用于A，導致LED發光；A不存在，由于B線圈中的電流、磁場的作用方式未變，感生電場依然存在．因此，感生電場只依賴磁場的變化，而與周圍是否存在導體無關．

1 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-2(第3版).北京：人民教育出版社，2010.19～20

2 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-2教師教學用書(第4版).北京：人民教育出版社，2010.27～30

*系江西省中小學教育教學重點研究立項課題“物理教學中師生科學素養養成與創新能力同步發展研究”的研究成果.課題編號：ZD2014-035作者簡介：席江華(1964- )，男，中教高級，主要從事中學物理教學及實驗教學研究.