磁通量的變化率演示儀

何艷紅 黃春如

（1.江西省樟樹中學，江西樟樹 331200；2.江西省樟樹第三中學，江西樟樹 331200）

磁通量的變化率演示儀

何艷紅1黃春如2

（1.江西省樟樹中學，江西樟樹 331200；2.江西省樟樹第三中學，江西樟樹 331200）

隨著科技的發展，新材料、新技術為教具制作提供了更廣闊的空間，一些道不明、難講清的概念，通過實驗教學的輔助，可使抽象的概念具體化.磁通量的變化率演示儀就是這樣的一個制作案例，學生通過具體的演示實驗，不僅能很好地理解磁通量、磁通量的變化和磁通量的變化率之間的關系，還能啟迪學生探究問題的思路和方法，培養其觀察現象、提出問題、分析問題、形成結論的能力.師生共同設計實驗方案，一起邊制作邊實驗探究，既培養和鍛煉了學生的實驗動手能力，更能進一步提升學生的科學素養.

磁通量；變化；變化率；演示儀

電磁感應現象的發現是電磁學發展史上又一個重要成就，它進一步揭示了自然界電現象和磁現象之間的聯系，促進了電磁理論的發展，為麥克斯韋電磁場理論的建立奠定了堅實的基礎，使現代工業、電工和電子技術得以建立和發展，對人類社會有著劃時代的貢獻.

法拉第電磁感應定律是這一劃時代貢獻中的重要規律，它揭示了感應電動勢的產生依賴于磁通量的變化，而其大小取決于穿過電路的磁通量的變化率.在實際的教學中，我們發現，學生對感應電動勢的產生是由磁通量的變化引起的容易接受，而對感應電動勢的大小與磁通量的變化率的關系卻難以理解.

為了在教學中較好的克服上述難點，我們制作了“磁通量的變化率演示儀”輔助教學，收到了很好的教學效果，現介紹如下.

1 實驗原理示意圖

圖1

圖1 為演示儀的實驗原理示意圖.線圈通過引線與反向并接的紅、藍顏色的LED相連.磁鐵正對線圈從位置A運動到位置C（或從位置B運動到位置C），必然引起線圈中的磁通量發生變化，線圈中將產生感應電流、感應電動勢.由于紅色LED發光所需工作電壓不小于1.8V，藍色LED發光所需工作電壓不小于2.0V，因此，當線圈中產生的感應電動勢達到或超過相應數值時，LED閃亮.這樣，我們就可借助LED是否閃亮來判斷線圈中的感應電動勢的量值，進而達到研究磁通量的變化量的大小，磁通量的變化率的大小與感應電動勢的關系的目的，即怎樣的操作將引起LED閃亮.

2 實驗器材及裝配圖

運動時能產生光亮的兒童玩具滑板上的滑輪1個（取其中的線圈）.將滑輪外殼切開，小心取出其中的線圈；外徑為2cm的圓形釹鐵硼強磁鐵3小塊（疊加組合成一強磁體）；內徑2cm的PVC塑料管一小段（將釹鐵硼強磁鐵置于其中，便于提拿）；紅、藍LED發光二極管2枚，將其并接后焊接在從滑輪中取出的線圈兩端.實物如圖2中的A、B，裝配圖如圖2中的C所示.

圖2

3 實驗過程及分析

演示者站立，左手拿線圈置于與腰部平齊部位，并使線圈平面水平.右手拿鑲嵌有釹鐵硼強磁鐵的PVC管.依據圖1實驗原理示意圖的方式進行如下操作.

（1）使磁鐵從位置A緩慢移到位置C，AC間的間距約15～20cm，觀察LED有無亮光.

（2）使磁鐵從位置B快速移到位置C，BC間的間距約8～10cm，觀察LED有無亮光.

（3）使磁鐵從位置C緩慢移到位置A，觀察LED有無亮光.

（4）使磁鐵從位置C快速移到位置B，觀察LED有無亮光.

結論1：磁鐵從位置A緩慢移到位置C時，LED無亮光.磁鐵從位置B快速移到位置C時，紅色LED閃亮.

結論2：磁鐵從位置C緩慢移到位置A時，LED無亮光.磁鐵從位置C快速移到位置B時，藍色LED閃亮.

圖3

結論及原因分析：磁鐵從位置A緩慢移到位置C，或從位置C緩慢移到位置A，引起線圈中的磁通量的變化量，比較磁鐵快速從位置B移到位置C，或從位置C移到位置B要更大，但線圈中產生的感應電動勢卻小于引起LED閃亮的臨界值.磁鐵從位置B快速移到位置C，或從位置C快速移到位置B，引起線圈中的磁通量的變化量，比較磁鐵緩慢從位置A移到位置C，或從位置C移到位置A要更小，但線圈中產生的感應電動勢反而大于引起LED閃亮的臨界值，導致紅、藍LED閃亮.

法拉第電磁感應定律告訴我們，閉合電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比.可見，電路中感應電動勢的大小，并不取決于磁通量變化量的大小，而是決定于磁通量的變化率.要想從直觀上反應出磁通量的變化率與感應電動勢間的關系，可采用控制變量的研究方法：對同一個線圈而言，當磁鐵從某一位置A變化到某一位置C時，引起線圈中磁通量的變化量是一定的.這樣，磁通量的變化率就由對應的變化時間來決定.因而磁通量的變化率的大小，取決于線圈中磁通量變化所需的時間（磁通量的變化量一定），取決于磁鐵對應運動時間的多少，即磁鐵運動的快慢決定了感應電動勢的大小，從而決定了LED是否閃亮.這樣，二極管是否閃亮就和磁通量的變化率有機地結合在了一起.

磁鐵從A運動到C，引起線圈中的磁通量的變化量大，但過程時間長，磁通量的變化率小，產生的感應電動勢小，LED不亮；磁鐵從B運動到C，引起線圈中的磁通量的變化量雖然小，但過程時間短，磁通量的變化率反而更大，產生的感應電動勢更大，導致LED閃亮.

應用該演示實驗，在幫助學生強化對感應電動勢與磁通量的變化率關系的理解的同時，還可以：（1）應用LED的單向導電性，進一步驗證楞次定律的內容.若磁鐵運動引起線圈中的磁通量增強（磁鐵靠近線圈）、導致磁通量的變化率達到一定量值時，引起紅色LED閃亮，則磁鐵運動引起線圈中磁通量減小（磁鐵遠離線圈）、導致磁通量的變化率超過藍色LED閃亮的臨界值時，必引起藍色LED閃亮.（2）LED閃亮，必有電源給其供電，這個電源必是與LED相連的線圈，可幫助學生認識和理解廣義的電源，思考這一電源中哪一種作用扮演了非靜電力的角色，為下一節感生電場的學習奠定基礎.

該演示儀操作簡便，LED是否閃亮可更好地幫助學生判斷線圈中產生的感應電動勢的大小，有利于學生更好地區分磁通量、磁通量的變化量與磁通量的變化率的關系，從而達到更好地理解法拉第電磁感應定律的內容.

1 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3－2（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2010：1－20.

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）人教版［M］.北京：人民教育出版社，2010：14－30.

2017－02－12）

本文為中國教育學會物理教學專業委員會全國物理教育科研重點立項課題“低成本物理實驗研究及教具制作”的研究成果之一（課題編號WLJY－2013ZD－013）.