淺談使用鋁框做線圈骨架有什么好處

米樹理

摘要：本文針對《普通高中課程標準實驗教科書》物理選修3-2第27頁“思考與討論”欄目中的“使用鋁框做線圈骨架有什么好處”的問題進行了探討，并找到了答案：結合磁電式儀表的工作原理，線圈骨架應選擇質量小、電阻率小的非磁性材料，而鐵、鋁、銅三種常用金屬中，鋁最合適。在找尋這類問題答案的過程中，筆者得出體會：這類問題在《普通高中課程標準實驗教科書》中有很多，教師應當自己先多動腦，然后要鼓勵學生多動腦，使學生不僅知其然而且知其所以然，使學生在探究這類問題答案的同時可以發揮自主學習能力，發展其思維能力，使學生真正有所獲，有所發展。

關鍵詞：線圈骨架 電磁阻尼 慣性

G633.7

針對《普通高中課程標準實驗教科書》物理選修3-2第27頁“思考與討論”欄目中的“使用鋁框做線圈骨架有什么好處”的問題，因為《教學參考書》中未作任何說明，所以在備課過程中被提出來之后，高二年級備課組的幾位教師之間展開了熱烈的討論。

我們查閱了《高級中學課本》（甲種本）第三冊，《全日制普通高級中學教科書》（必修加選修）第二冊，兩書中的處理方式一樣，都是在學習安培力之后介紹電流表（磁電式儀表）的工作原理：“這種電表的構造是在一個很強的蹄形磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵芯，鐵芯外面套有一個可以繞軸轉動的鋁框，鋁框上饒有線圈，鋁框的轉軸上裝有兩個螺旋彈簧和一個指針。線圈的兩端分別接在這兩個螺旋彈簧上，被測電流經過這兩個彈簧流入線圈。蹄形磁鐵和鐵芯的磁場是均勻輻向分布的，不管通電線圈轉到什么角度，它的平面都跟磁感線平行，當電流通過線圈的時候，線圈上跟鐵柱軸線平行的兩邊都受到安培力，這兩個力產生的力矩使線圈發生轉動。線圈轉動時，螺旋彈簧被扭動，產生一個阻礙線圈轉動的力矩，其大小隨線圈轉動角度的增大而增大。當這種阻礙線圈轉動的力矩增大到同安培力產生的力矩相平衡時，線圈停止轉動。”在學習渦流，電磁阻尼時，介紹鋁框的作用：“電學測量儀表要求指針的擺動很快停下來，以便可以迅速讀出示數。前一章講的電流表，線圈要繞在鋁框上，鋁框就起這種作用。當被測電流通過線圈時，線圈帶動指針和鋁框一起轉動，鋁框在磁場中轉動時產生渦流，磁場對這個渦流的作用力阻礙它們的擺動，使指針能很快的指到示數位置上。”沒有問“使用鋁框做線圈骨架有什么好處？”也沒有為什么要用鋁框做線圈骨架的任何說明。通過對問題的進一步分析，我們認識到新舊教科書對同一知識的呈現方式不同，認為這是一個理論聯系實際的開放性問題，答案不唯一。這個問題的解決過程，實際上設置了這樣一個情景，就是要學生象科學家運用理論知識結合磁電式儀表的原理以及電磁阻尼的知識探究選擇做線圈骨架的材料一樣，通過認真的，全面的思考和分析，認識到理論與實際的差距，體會到經過努力終于完成一項任務的成功的喜悅，培養學生學習物理的興趣。使用鋁框做線圈骨架的優點應該是與其它常用金屬（如鐵、銅）做線圈骨架比較的結果。按照這個思路，我們集中討論用鋁框做線圈骨架比用鐵、銅框做線圈骨架有什么好處。

觀點一：鐵是磁性材料，如果用鐵做線圈骨架，鐵被磁化后被永磁鐵吸住不能轉動，就指針也不能動了，就沒法測量了；如果用鋁框做線圈骨架則沒有這個問題。

觀點二：磁電式儀表的磁場分布有其特殊的要求，如果用磁性材料做線圈骨架，會影響電表磁場的分布，破壞電表的性能。鋁則不然。

觀點三：同樣的鋁框比鐵框的電阻小，渦流強，電磁阻尼效果好，指針能很快地穩定指到讀數位置上。

觀點四：按照以上觀點，為什么不用銅呢？銅不是磁性材料，不會影響電表磁場的分布；同樣的銅框比鋁框的電阻還小，渦流更強，電磁阻尼效果更好。

觀點五：同樣的鋁框比鐵（或銅）框的質量小，慣性小，在電磁阻尼的作用下指針能很快地穩定指到讀數位置上。

之后又查了《普通物理學實驗》（二。電磁學部分），實驗十一，《靈敏電流計特性的研究》（磁電式儀表），阻尼分為三種，欠阻尼運動，臨界阻尼運動，過阻尼運動。例如測2A的電流，當外加電流通過靈敏電流計使線圈發生轉動時，由于慣性和動能的作用，指針不可能一下停止在2A處，要繼續向前轉，等轉過一個角度，在螺旋彈簧的作用下，又要向回轉動，在電磁阻尼效的作用下，指針來回轉動幾次之后才停下，這種是欠阻尼運動；等轉過2A處一個角度，在螺旋彈簧和電磁阻尼的作用下，轉回到2A處恰好停下，這種是臨界阻尼運動；等轉過2A處一個角度，在螺旋彈簧和電磁阻尼效的作用下，以非常緩慢的速度轉到2A處停下，這種是過阻尼運動。磁電式儀表的指針在轉動后停在指示值所需時間越短越有利，因此通常使指針的運動在近臨界的阻尼運動狀態。

綜合上述觀點，結合磁電式儀表的工作原理，線圈骨架應選擇質量小，電阻率小的非磁性材料.那么鐵、鋁、銅三種常用金屬中，鋁最合適.

事實上，這類問題在《普通高中課程標準實驗教科書》中很多.我認為，這一方面是為了被迫學生動腦， 這另一方面也是為了被迫教師動腦.通過被迫教師動腦，先讓教師熟悉和掌握動腦的方法和技巧，然后引導學生輕車熟路的動腦，使學生不僅知其然而且知其所以然，使學生在探究這類問題答案的同時可以發揮自主學習能力，發展其思維能力，使學生真正有所獲，有所發展。而教師在備這類問題時，借助于年級備課組這個平臺，發揮集體的智慧，集思廣益，比一個人單打獨斗要好，而且可以提高教師的教學能力，不斷發展。

參考文獻：

楊述武主編，：《普通物理學實驗》（二 電磁學部分）高等教育出版社1992年版endprint