自制楞次定律方向指示儀

蘇 縵 熊建文

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

自制楞次定律方向指示儀

蘇 縵 熊建文

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

楞次定律這一節(jié)課對感應電流方向的判斷要求很高，學生較難通過現(xiàn)行教材中的實驗設計對感應電流方向進行直觀判斷．為此，筆者通過自制教具，使學生能在磁通量變化過程中直觀地觀察線圈中感應電流方向和感應磁場方向，使楞次定律在學生思維信息加工過程中更容易被概括．

楞次定律 方向指示儀 實驗

現(xiàn)行各種版本的教材中，對楞次定律的演示實驗都是利用磁鐵插入、拔出閉合線圈的方法，通過記錄線圈中感應電流方向和感應磁場方向，由此歸納出楞次定律．但是在演示過程中，學生對線圈中感應電流方向和感應磁場方向的準確判斷還存在一定難度．電流方向的觀察要處理好檢流計指針偏轉方向和電流方向的關系、線圈繞向與電流方向的關系[1]．雖然學生對右手定則是較熟悉的，但是磁場方向的判斷是以電流方向為基礎的，又是較為抽象的，這也造成了學生判斷感應磁場方向的困難．因此，學生較難通過現(xiàn)行教材中的實驗操作對楞次定律進行正確歸納．

為了更好地進行教學，筆者自制了一個能指示閉合線圈中電流方向和磁場方向的指示儀，為演示實驗提供了感性材料，使楞次定律在學生思維信息加工過程中更容易被概括．

1 指示儀的原理

本指示儀利用發(fā)光二極管的單向導電性來指示線圈中交替變化的電流方向[2]，考慮到線圈產(chǎn)生的電流較小，所以筆者在電路中接入運算放大器(置于裝置后面)將電流放大，制作了鏤空的箭頭形狀，再將紅、藍兩種發(fā)光二極管分別放入箭頭進行點亮，生動地模擬了感應電流方向和感應磁場方向．

如圖1所示，面板上有一個帶有線圈的電路圖，下面小車上裝有實物的線圈⑤．當改變閉合線圈中的磁通量時，面板上紅色箭頭①指示了線圈中感應電流的方向,藍色箭頭③指示了對應的感應磁場方向．同時，小車與磁鐵的“不離不棄”能使學生對楞次定律中的“阻礙”作用獲得形象具體的認識．

圖1 方向指示儀實物圖

2 指示儀的制作

2.1發(fā)光面板的制作

取一個長35 cm，寬30 cm的薄木板，在木板上雕刻出18個鏤空的箭頭(粗1 cm)即圖1中的①③．分別將5 mm紅色、藍色的發(fā)光二極管并聯(lián)接入如圖2的放大電路中，再將連接好的發(fā)光二極管分別放入鏤空的箭頭里面．取一張與面板同樣大小的白紙，用黑色水筆在中間畫出一個線圈的電路圖，即圖1中的②．將畫有電路圖的白紙固定在面板的正面以擋住后面鏤空的箭頭．

圖2 發(fā)光面板的內(nèi)部電路圖

2.2底座框架的制作

用長40 cm，寬10 cm的木板作為底座．把木板豎直地固定在底座上，形成高35 cm，寬30 cm的框架，再把做好的面板豎直固定在框架里面[3]．

2.3小車的制作

取長12 cm，寬7 cm的kt板和透明板作為小車的底部，用兩根直徑為2 mm的木棍作為車軸用小圓筒固定在底部，再裝上4個半徑為1 cm的輪子．小車的中間固定漆包線(厚0.7 mm)繞成的線圈(約1 500匝)．

2.4原磁場的制作

用2個圓柱形欽鐵硼磁鐵(D50×30 mm)組成的強磁體，用紅、藍色的紙皮包在強磁鐵的表面，藍色一端是S極，紅色一端是N極．根據(jù)初中所學知識，可知磁體場內(nèi)部磁場方向是從S極到N極，再用白紙皮做成一個長30 mm的箭頭并固定在磁鐵上以表示原磁場的方向．

3 楞次定律演示實驗

如圖3所示，閉合裝置后面的開關，將磁鐵N極插入線圈時，導線上紅色箭頭指示了線圈電流的方向是逆時針的，線圈周圍的藍色箭頭指示了磁場的方向是向左的，對比原磁鐵上面的白色箭頭可知：感應磁場方向與原磁場方向相反．當磁鐵N極拔出線圈時(圖4)，此時感應電流的方向是順時針的，感應磁場的方向是向右的，感應磁場方向與原磁場方向相同．當用S極插入或拔出線圈時，出現(xiàn)的現(xiàn)象則相反(圖略)．

圖3 磁鐵N極插進線圈

圖4 磁鐵N極拔出線圈

在磁鐵與線圈相對運動的過程中，教師要引導學生觀察記錄感應電流方向、感應磁場方向以及感應電流的磁場與原磁場之間的關系(表1)，對多變的物理現(xiàn)象建立起內(nèi)在的、本質的聯(lián)系，最后準確地表述楞次定律．

表1實驗觀察記錄

磁鐵的運動磁通量的變化感應磁場方向與原磁場方向的關系線圈中感應電流的方向結 論插入N極S極增加相反逆時針相反順時針 磁通量增加時,感應磁場方向與原磁場方向相反拔出N極S極減少相同順時針相同逆時針 磁通量減少時,感應磁場方向與原磁場方向相同

4 指示儀的特點

(1)實驗現(xiàn)象明顯直觀．學生初中學習電流時，是在導線上面畫出箭頭來表示電流流向，本指示儀同樣用箭頭來表示電流方向，符合學生的認知特點．藍色發(fā)光箭頭制作成弧線生動形象地模擬了磁場方向，為學生理解楞次定律提供感性材料，更能引起學生的學習興趣．

(2)簡化了演示實驗設計．這個過程簡化了教材演示實驗的兩個問題：一是判斷檢流計偏轉方向、感應電流方向和感應磁場方向的關系；二是總結原磁通量變化與感應磁場的關系．使用此裝置解決了本實驗較難的問題，使楞次定律在學生思維信息加工過程中更容易被概括．

1 沈文炳. 基于認知負荷理論的“楞次定律”教學.物理教學探討,2012(08):74～77

2 鄒漪,彭振中. 自制發(fā)光楞次定律演示儀. 物理教師,2016(06):51～53

3 朱向陽,施朝群. “楞次定律”教學探討與實驗設計.物理實驗,2010(06):20～22

蘇縵(1993- )，女，在讀研究生，專業(yè)方向：學科教學(物理).

指導教師：熊建文(1962- )，男，教授，研究方向：物理理論及實驗教學研究.

2017-03-02)