用強力磁鐵自制高中物理演示實驗兩例

陳 涵 陳 雪

(成都市新都一中 四川 成都 610500)

中學物理教學中不僅要求教師引導學生準確掌握物理概念和規(guī)律，而且部分章節(jié)還要求通過演示實驗把要研究的物理現(xiàn)象展示在學生眼前，引導學生觀察，思考，總結(jié)規(guī)律，完善概念，使學生對物理學科有一個完整的認識．教學過程也符合由感性到理性的認識規(guī)律，學生在頭腦中不僅有定義和公式，而且有鮮明的物理表象[1]．然而由于實際條件限制，部分學校僅靠校內(nèi)實驗室所提供的有限器材無法很好地演示出教學所需的實驗現(xiàn)象．這種情況下，需要教師自制或者改進實驗儀器，使之符合教學的要求．

1 楞次定律的“增反減同”規(guī)律演示實驗

如圖1所示，該實驗是探究電磁感應電流變化規(guī)律的一個比較經(jīng)典的課堂演示實驗．利用了二極管的單向?qū)ㄐ院透袘娏鞣较虻囊?guī)律，取顏色不同發(fā)光二極管兩只，按圖1連接成電路．當磁鐵不斷進入和離開螺線管的時候，根據(jù)楞次定律的“增反減同”原理會看到紅燈和綠燈交替發(fā)亮．接下來我們以一種非常粗略的方式來推導一下螺線管中的電流和哪些因素有關(guān).

圖1 楞次定律演示實驗

由法拉第電磁感應定律

和歐姆定律

聯(lián)立可得通過該螺線管的電流為

(1)

如果假定螺線管上銅線的厚度可以忽略，設螺線管的半徑為r，導體長度為L，橫截面積為S，由電阻定律可知

結(jié)合線圈匝數(shù)

以及螺線管橫截面積

S=πr2

代入式(1)可得

(2)

由式(2)可知，通過螺線管的電流大小和導體的電阻率、橫截面積、螺線管的粗細、以及磁場變化的快慢有關(guān)．也就是說在材料一定的情況下需要選取尺寸寬大的螺線管，繞線的導體需要盡量粗，或者加大磁場的變化率都可以讓感應電流增大從而使得實驗現(xiàn)象更明顯．所以當磁場的變化不夠快的情況下，設計出來的線圈往往體積較大(這也是筆者見過的一些關(guān)于該演示的實物器材大多具備的特點)，演示的時候有可能不太方便．所以若要使得實驗裝置更加小巧，就要考慮增加磁鐵磁感應強度的大小和運動的速度來讓磁場變化更快，這個時候就可以考慮使用體積小而磁性強的強力磁鐵了．

如圖2所示，用有絕緣漆包裹的細銅線纏繞一小段亞克力管(內(nèi)徑約15 mm)到匝數(shù)約3 000匝并在兩端裝兩個擋板加以穩(wěn)固，將兩個發(fā)光二極管(筆者采用了紅光和綠光的二極管)按圖示電路焊接到擋板上接線柱上．演示時將一到兩個圓柱形磁鐵(半徑10 mm,高10 mm放入或者拿出管中，就能看到紅色或者綠色的燈閃亮，也可以將磁鐵放入管中，用手指堵住管口來回搖動也能看到該現(xiàn)象．由于體積較小，該裝置可以在課堂演示的時候拿到講臺以下供學生觀看，效果更佳．

圖2 將兩個發(fā)光二極管焊接到接線柱上

2 探究通電導線安培力的大小與電流的關(guān)系的演示實驗改進

2.1 常規(guī)辦法下該實驗的困難

在高中物理教學中，探究安培力的大小和電流的關(guān)系是一個較難演示的實驗．現(xiàn)以教科版高中《物理·選修3-1》的第三章第2節(jié)“探究安培力的大小與電流的關(guān)系的演示實驗”為例，教材上提供的該實驗裝置是將一線框通過彈簧測力計懸掛在蹄形磁鐵之間然后通電，用滑動變阻器改變線框中電流的大小來探究安培力的大小和電流的關(guān)系．筆者發(fā)現(xiàn)該實驗有以下難點：

(1)實際操作中安培力非常的微小，只能看到彈簧測力計指針稍稍動一下，沒有辦法通過讀數(shù)顯示其變化的關(guān)系．

(2)由于蹄形磁鐵產(chǎn)生的磁場很小，如果盡量通過增大電流來增大安培力從而使實驗現(xiàn)象明顯的話，那么線框的熱效應會比較明顯而不利于操作．筆者在實際操作中發(fā)現(xiàn)，在電流達到2 A的時候已經(jīng)明顯感覺到線框發(fā)燙，此時安培力仍然不顯著．

2.2 對實驗的改進

針對以上幾個問題，筆者做出了如下改進.

(1)實驗器材

強力磁鐵(長×寬×高為:100 mm×50 mm×10 mm,電流表(0～0.6 A)，滑動變阻器(0～100 Ω)，直流電源9 V，迷你電子秤(量程3 kg，精度0.1 g)，導體線框(長寬約為80 mm×80 mm，約100匝，電阻約10 Ω)，鐵架臺，導線若干，支架等，實驗裝置如圖3所示．

圖3 實驗裝置

(2)改進原理

1)由于條件所致，無法使用亥姆霍茲線圈來產(chǎn)生足夠大的磁場，所以選用磁性較一般磁鐵強得多的強力磁鐵代替，南北極相對放置在用亞克力材料預先做好的支架上(磁鐵間距為5 cm)，以求在兩個磁鐵的中間產(chǎn)生磁感應強度相對更大磁場；

2)利用磁場較大的優(yōu)勢選擇較小電流防止線圈發(fā)熱過大；

3)因為在新改進的磁場中，線框在電流達到一定的大小的時候(1 A左右)會發(fā)生明顯抖動(0.5 A左右則抖動相對較輕)，并考慮到實驗過程中可能會由于人為因素造成線圈晃動，導致懸掛線框的讀數(shù)裝置不能準確的讀數(shù)，故將線框固定而測量裝有磁鐵的支架受到的安培力反作用力的方法來進行探究；

4)依據(jù)上一步，選擇精度更高的壓力傳感器測量，由于當時條件所致，所以筆者使用了便宜實用的迷你電子秤(精度0.1 g)，理論上能夠顯示出大約0.001 N的力的變化．

2.3 實驗原理及其注意事項

(1)實驗原理.如圖3所示，當有電流通過線框時線框受到安培力，根據(jù)牛頓第三定律裝有磁鐵的支架就受到了安培力的反作用力，電子秤上就會顯示相應的讀數(shù)．改變電流的大小，安培力發(fā)生變化，就可以通過讀數(shù)的變化探究安培力大小和電流的關(guān)系．

(2)注意事項.由于兩塊磁鐵南北極相對時極容易粘合在一起而且很難分開，放置的時候要加以注意．同時線框放入磁場時位置要合適，要讓線框的上半部分遠離兩塊磁鐵之間的區(qū)域，防止磁鐵框上下因安培力方向相反發(fā)生抵消影響實驗．

2.4 實驗結(jié)果以及數(shù)據(jù)處理

閉合開關(guān)電子秤上就會有讀數(shù)顯示，通過滑動變阻器改變電流大小(0.1 ～0.6 A)，將讀出的數(shù)據(jù)計入表1.

表1 讀出數(shù)據(jù)

將這些數(shù)據(jù)用Excel描點，并用一條平滑的直線連接得到圖4,可以看出安培力隨著電流的增大而增大，且在誤差允許的范圍內(nèi)成正比關(guān)系．此外筆者對于該實驗在此裝置的基礎上做出了以下幾個進一步的設想：

首先可以將線框設計成可變長度的，或者使用多種規(guī)格的線框探究安培力和通電導體長度的關(guān)系；其次可以制作多種規(guī)格的支架，改變兩個磁鐵間的距離以改變磁感應強度的大小，探究安培力與磁感應強度的關(guān)系，這些都有待于以后的工作中繼續(xù)研究和探索．

圖4 Excel描點

3 結(jié)束語

自制物理教學中所需的器材，可以緩解硬件方面不足的矛盾，同時提升教師對專業(yè)知識的認識，更好地激發(fā)教師創(chuàng)意能力，提高科研能力．設計和使用教材上沒有的或者不一樣的實驗用于課堂演示，更能激發(fā)學生學習的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力，提升綜合素質(zhì)．