用電磁爐點(diǎn)亮小燈泡
——電磁感應(yīng)趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李錫均 程敏熙

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

目前我國(guó)高中物理選修3-2的各版本教材,通常會(huì)在“電磁感應(yīng)”一章中設(shè)置有關(guān)渦流的內(nèi)容．渦流與生活實(shí)際聯(lián)系十分密切,教材也著重突出了這一點(diǎn),如粵教版、滬科版[1-2]等多個(gè)版本的教材都在這一節(jié)中舉了電磁爐的例子,引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際．

然而,由于電磁場(chǎng)看不見、摸不著,學(xué)生對(duì)于電磁爐“發(fā)射交變磁場(chǎng)→引起金屬鍋底產(chǎn)生渦電流→鍋底因電流熱效應(yīng)而發(fā)熱”這一抽象過(guò)程的理解,還是有一定難度的．而且有教師指出,若單純以實(shí)例說(shuō)明來(lái)解釋物理現(xiàn)象,而沒(méi)有實(shí)驗(yàn)支持,會(huì)使得學(xué)生缺少感性體驗(yàn),其教學(xué)效果也會(huì)變得不太理想[3]．

對(duì)此,本文擬設(shè)計(jì)一趣味演示實(shí)驗(yàn),利用電磁爐發(fā)射出來(lái)的交變磁場(chǎng),通過(guò)電磁感應(yīng)原理點(diǎn)亮小燈泡．并在此過(guò)程中間接展現(xiàn)原本不可見的交變磁場(chǎng),在激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)也加深學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)、電磁爐工作原來(lái)等知識(shí)的理解．

具體內(nèi)容如下:

1 需要的材料器具

電磁爐、鐵質(zhì)或不銹鋼器皿、銅導(dǎo)線若干(或定制的高匝數(shù)線圈)、電燈底座、燈泡．

2 操作步驟

(1) 讓電磁爐發(fā)射交變磁場(chǎng).

圖1

電磁爐內(nèi)部的核心部件為一個(gè)大的導(dǎo)線線圈(如圖1),通過(guò)對(duì)線圈通入交變電流,從而使線圈發(fā)射交變磁場(chǎng)．傳統(tǒng)的舊式電磁爐只要啟動(dòng)開關(guān)便會(huì)發(fā)射交變磁場(chǎng),但近年來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步,以及出于安全的考慮,當(dāng)前市面上的電磁爐都會(huì)自帶“無(wú)鍋保護(hù)”或者“空鍋保護(hù)”功能．電磁爐能自動(dòng)感應(yīng)其受到的電磁阻尼大小,當(dāng)爐上沒(méi)有鐵質(zhì)器皿或者器皿內(nèi)部為空的情況下,產(chǎn)生的電磁阻尼較小,電磁爐則會(huì)自動(dòng)停止發(fā)射交變磁場(chǎng)．

對(duì)此,為了能讓電磁爐持續(xù)正常工作,本文采用的辦法是在爐上放置一個(gè)不銹鋼碟,并在里面裝適量清水(如圖2)．由于整個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較短,一般在水沸騰以前就能完成實(shí)驗(yàn),不會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題．

圖2 將裝水的不銹鋼器皿放于電磁爐上

(2) 線圈及燈泡組合電路的制作.

電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示．線圈可以自行繞制銅線制作(匝數(shù)至少要50匝)．對(duì)于條件較好的學(xué)校(配備DIS傳感器實(shí)驗(yàn)室),可直接使用DIS系統(tǒng)的線圈配件(100匝)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

圖3 線圈燈泡組合電路

對(duì)于燈泡的選取,應(yīng)選取額定功率盡可能低的節(jié)能LED燈(本文選用了額定功率為3 W的節(jié)能燈泡),以保證線圈感應(yīng)電流的功率能夠點(diǎn)亮小燈泡,而且LED燈的發(fā)光視覺效果較好,能更加吸引學(xué)生的眼球．否則使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的小燈泡亦可．最后組合裝置如圖4．

(3) 實(shí)際演示.

圖5 最終演示效果

上述準(zhǔn)備工作完成后,將線圈放置在電磁爐的正上方,燈泡即被交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流點(diǎn)亮了(如圖5)．實(shí)驗(yàn)演示者還可以適當(dāng)?shù)貙⒕€圈向上,或向左右移動(dòng),可觀察到燈泡的亮度相應(yīng)的變暗,通過(guò)這種適當(dāng)調(diào)整線圈位置的方法,便可根據(jù)相應(yīng)的燈泡亮度間接“看見”交變磁場(chǎng)的位置．

另一方面,由于電磁爐發(fā)出的磁感應(yīng)線是封閉的閉合曲線,因此適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)線圈的角度,也可觀察到燈泡亮度的變化．

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō),本實(shí)驗(yàn)所需材料源于生活,簡(jiǎn)單易得,大部分物品可從五金店購(gòu)取,實(shí)驗(yàn)難度與實(shí)驗(yàn)成本較低．

本文作者曾在實(shí)習(xí)期間講到渦電流一節(jié)時(shí)演示了此實(shí)驗(yàn),在燈泡被點(diǎn)亮?xí)r教室中響起了此起彼伏的驚嘆聲,可見實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)學(xué)生有著強(qiáng)烈的吸引力．

除此之外,本實(shí)驗(yàn)還適合學(xué)生課外制作．有幾名不在執(zhí)教班級(jí)但又相熟的學(xué)生,在本文作者的指導(dǎo)下,回家自主進(jìn)行了此實(shí)驗(yàn),并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果．學(xué)生們表示,此動(dòng)手過(guò)程激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣．而且實(shí)驗(yàn)成功之時(shí),在家人們驚異的眼光中,他們也獲得了不少的成就感．

1 束炳如. 物理選修3-2[M]. 上海:上海科技教育出版社, 2004.

2 保宗悌. 物理選修3-2[M]. 廣東:廣東教育出版社, 2005.

3 徐益勇. 渦流熱效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理教師,2016,37(1):57-59.