一種新型楞次定律演示裝置

彭玉峰 閆慧娟 張計才 秦朝朝

【摘要】本新型楞次定律演示裝置可以直觀地驗證多個經典的電磁理論定律，適合探究式實驗教學，符合現代教育中所提倡的提高動手能力、觀察能力和分析問題能力的教學理念。

【關鍵詞】楞次定律 演示裝置 磁場

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）48-0222-02

物理實驗在培養學生嚴謹的治學態度、活躍的創新意識、理論聯系實際和適應科技發展的綜合應用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用。物理課程中“楞次定律”的實驗是一個非常核心的實驗[1]，在國內外一直都是熱點之一[2-6]。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。

目前，關于楞次定律的演示實驗，傳統的做法是：矩形線圈分別豎直和水平通過具有穩恒電流的長直導線所在的豎直平面內，分析線圈中感應電流的變化；條形磁鐵在向通電螺線管勻速靠近或遠離的過程中，閉合回路電流的變化；套有輕質鋁環的軟鐵棒插入螺線管內，并給螺線管通斷電流，觀察輕質鋁環的運行情況。由此可見，課堂演示形式較為單一，難以適應新時期素質教育的要求。

本實驗裝置不僅便于學生動手操作，非常直接的觀察到有關實驗現象，而且能夠直觀的驗證多個經典物理理論定律，非常適合探究式實驗，符合現代教育中所提倡的提高動手能力、觀察能力和分析問題能力的教學理念。

一、演示裝置介紹

多功能楞次定律實驗裝置如圖1-4所示。該裝置包括水平箱體和設置于水平箱體中部的豎直箱體，豎直箱體的一側設有顯示器、第一開關、第二開關、第一接線柱、第二接線柱、電源接口和通過絲線懸掛的金屬環，豎直箱體的內部設有變壓器、二極管和電容器，同側的水平箱體上設有第一金屬棒，該第一金屬棒設置于金屬環的一側且在第一金屬棒上纏繞有第一線圈，第一線圈的輸出端和輸入端分別與第一接線柱和第二接線柱電性連接，第一接線柱通過第二開關分別與電容器一側的電極和變壓器一側的輸出端電性連接，第二接線柱與電容器另一側的電極電性連接，變壓器另一側的輸出端依次通過第一開關和二極管與電容器另一側的電極電性連接，變壓器的輸入端與電源接口電性連接，電源接口與市電電性連接，顯示器并聯于電容器的兩側；豎直箱體的另一側設有紅色LED燈、綠色LED燈、第三接線柱和第四接線柱，豎直箱體的內部設有第一三極管、第一電源、第二三極管和第二電源，同側的水平箱體上設有水平軌道、與水平軌道滑動配合的移動小車和固定于水平軌道上的固定小車，移動小車上設有磁條，固定小車上設有第二金屬棒、供電裝置、第三開關、第五接線柱和第六接線柱，其中第二金屬棒上纏繞有第二線圈，該第二線圈的輸出端和輸入端分別與第三接線柱和第四接線柱電性連接或者分別與第五接線柱和第六接線柱電性連接，第三接線柱與第一三極管的B基極電性連接，第一三極管的C集電極依次與紅色LED燈和第一電源負極電性連接，第一電源正極分別與第四接線柱和第一三極管的E發射極電性連接，并且第三接線柱分別與第二三極管的E發射極和第二電源的正極電性連接，第二三極管的B基極與第四接線柱電性連接，第二三極管的C集電極依次與綠色LED燈和第二電源的負極電性連接，第五接線柱依次與供電裝置和第三開關串聯后與第六接線柱電性連接。

二、演示裝置操作說明

（一）驗證楞次定律

將第一線圈的輸出端和輸入端分別與第一接線柱和第二接線柱連接，并且將電源接口與市電接通，閉合第一開關給電容器充電，觀察與電容器并聯的顯示器示數至不再變化，斷開第一開關，閉合第二開關，電容器放電，第一線圈瞬時產生大電流，其內部產生瞬時磁場，通過絲線懸掛于豎直箱體上的金屬環此時就會產生與第一線圈內磁場方向相反的磁場，這兩個相反的磁場就會產生電磁斥力，可以將金屬環彈出一定的距離，從而驗證楞次定律：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，同時由第一線圈產生的磁場可以驗證電向磁的轉換。

（二）探究不同介質對磁場的影響

將第二線圈的輸出端和輸入端分別與第五接線柱和第六接線柱連接，閉合第三開關，觀察移動小車的運行情況從而判斷此時第二線圈的磁感線方向，結合移動小車上磁條的磁極方向，驗證安培定則。另外更換不同材質的第二金屬棒，重復上述操作，然后結合移動小車的運行情況探究不同介質對磁場大小的影響。

（三）驗證磁向電的轉化

將第二線圈的輸出端和輸入端分別與第三接線柱和第四接線柱連接，斷開第三開關，移動小車向固定小車靠近或遠離的過程觀察紅色LED燈和綠色LED燈的發光情況，從而可以獲知第二線圈中的電流方向，結合安培定則即可驗證楞次定律：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，同時由第二線圈中產生瞬時電流驗證磁向電的轉化。

三、演示裝置使用前景

本演示裝置不僅可以在大學物理實驗室進行復雜的研究性實驗，還可以進一步推廣到中學物理實驗室開展演示實驗，此外，還可以在社會上進行電磁學有關知識的普及教育工作，對提高國民整體科學素養有著重要的作用。

參考文獻：

[1]《普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1》，人民教育出版社，2014

[2]Roy M K， Harbola， Manoj K.， Verma， H.-C.， Demonstration of Lenzs law： Analysis of a magnet falling through a conducting tube. Amer. J. Phys.2007（8）：728-730

[3]Guerlin C； Delva P； Wolf P. Some fundamental physics experiments using atomic clocks and sensors. Com. Ren. Phys. 2015（5）：565-575

[4]張強，黃凱特.超導楞次定律實驗裝置[J].物理實驗， 2014（10）：12-14

[5]楊春葉，劉貴興.利用磁鋼與鋁質硬幣演示楞次定律 [J].物理實驗，2008（10）：20-22

[6]韓靜波.簡易楞次定律演示儀的改進[J].物理實驗，2008（9）：23-25.

致謝：本工作受到河南省教師教育課程改革研究項目計劃支持（項目號：2016-JSJYYB-019）。