用水煮亮LED燈

畢 亮

(綠春縣第一中學，云南 綠春 662599)

人教版《物理》(選修3-2)“電磁感應”一章的“渦流”內容，教材編者沒有設計、安排相關實驗[1]. 為了讓學生容易學習和接受渦流這一知識，教材搭配了幾幅精美插圖，對渦流在生產生活中的應用做了展示. 盡管如此，由于渦流概念較為抽象，學生的認知難度大. 在實際教學過程中，教師為了便于學生建構渦流概念，通常會使用電磁爐演示渦流實驗. 但現有實驗成本過高，實驗過于繁雜，過于乏味.

電磁爐具有空載、負荷異常等自動保護功能，在使用電磁爐做渦流實驗時必須使用鐵質鍋具. 對于線圈的選擇，許多人選用鐵絲、漆包線及電線等，既不經濟，又脫離了渦流的本質——因為渦流是在導體內部產生像水中旋渦一樣的電流. 為了使實驗現象更明顯，有人選用220 V的燈泡，實驗存在一定的潛在危險.

為了安全起見，本文設計的實驗選用發光二極管即LED燈. 發光二極管只能通過較小的電流，不能承受大電流，因此可以選用廢棄的鋁質易拉罐代替線圈，既可以節約實驗成本，也能更好地體現渦電流的本質. 為了提高趣味性，可以將實驗設備放入水中. 鍋具底部不要放絕緣材料原因是：易拉罐和鍋具中都會產生渦流；鍋具的電阻率遠遠大于鋁的電阻率；易拉罐和鍋具的“接觸電阻”較大，因此，不會出現發光二極管被鍋具短路的情形.

1 用水煮亮LED燈

實驗器材：1個鋁制易拉罐、1把鐵皮剪(普通剪刀也可)、1個3 mm的發光二極管LED元件、1只小型不銹鋼盆、少量自來水、1個電磁爐.

實驗步驟：

1)用鐵皮剪將易拉罐底部和頭部剪去，沿著罐身的傾斜方向剪成圖1所示的形狀.

圖1 剪裁的易拉罐

2)將“易拉罐”的2個“接頭”向后彎折，把LED燈的2只腳安在2個“接頭”上，并向后彎折2只腳. 由于“易拉罐”有彈性會繃緊，LED燈與2個“接頭”接觸良好，且不易松動掉，如圖2所示.

圖2 連接LED

3)在不銹鋼盆中裝入水，盆中的水要淹沒LED燈.

4)把不銹鋼盆放在電磁爐上.

5)按下電磁爐開關，使電磁爐處于燒水狀態，并將功率調至最低.

6)把“實驗設備”放入盛水的不銹鋼盆中，看到LED不發光，或者發出微弱的光(取決于“易拉罐”的高度，將“易拉罐”等效成無數個線圈，“易拉罐”越高，等效圈數相對越多).

7)不斷調高電磁爐的功率. 看到LED由不發光變為發光，且逐漸變亮，或者看到越來越亮. 實驗效果見圖3.

圖3 實驗現象

實驗解釋：

電磁爐中有1盤線圈(圖4)，通交流電后，線圈中變化的電流在周圍空間產生變化的磁場. 由于電磁感應，“易拉罐”中產生渦電流. 為了給學生解釋清楚，可以建立這樣的模型：將電磁爐中的線圈簡化為1個方形線圈，“易拉罐”也簡化為1個方形線圈，如圖5所示. LED燈雖然具有單向導電性， 但通過它的感應電流的頻率等于220 V交流電的頻率即50 Hz，雖然LED燈不停地熄滅又點亮，但由于人眼的視覺暫留，看到LED燈“持續”發光.

圖4 電磁爐線圈

圖5 實驗原理的簡易模型示意圖

2 結束語

該實驗既增加了學生對渦流的理解，建構了渦流概念，又加深了對電磁感應的理解. 在物理教學中，教師開發一些物理創新實驗可以激發學生的創新意識，培養學生的創新思維.