楞次定律的創(chuàng)新演示實驗

洪華標

（廣東梅縣東山中學，廣東梅州 514011）

目前大部分教材中探究感應(yīng)電流方向的楞次定律演示實驗是這樣做的：利用磁鐵插入和拔出線圈,通過觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向來確定感應(yīng)電流的方向，進而來判斷感應(yīng)電流的磁場方向,從而分析得出楞次定律。

筆者認為原有實驗存在以下不足：（1）利用電流表的偏轉(zhuǎn)方向來判斷感應(yīng)電流方向既復雜又抽象。（2）磁鐵插入和拔出線圈時指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但很快又會回擺，容易造成學生的混淆，不清楚指針的擺向。（3）實驗記錄表設(shè)計復雜不利于實驗探究。

為解決上述問題，我們開發(fā)了一套新的楞次定律演示實驗的示教板。

1 制作示教板

（1）設(shè)計裝置圖，見圖 1。

圖1 裝置圖

（2）制作流程。

①制作示教板框架。將長90cm寬68cm的方木板作為底板，在木板上用螺絲固定鋁塑板材。

②制作引入實驗：將銅管和玻璃管用玻璃膠粘在示教板右上角，讓兩者處于同一高度，如圖1所示。

③制作螺線管。我們利用紅藍二極管的發(fā)光情況來確定感應(yīng)電流方向。由于發(fā)光二極管的發(fā)光電壓需要3V，利用普通的條形磁鐵和螺旋管產(chǎn)生的電動勢達不到這個電壓。為了增大感應(yīng)電動勢，我們有目的地增大線圈匝數(shù)，用銅線按順序地繞在線圈，一共繞了5000匝，在線圈上標示纏繞方向，然后用焊錫固定，留出兩根接線柱，螺線管安裝在鋁塑板上。

④圓柱形釹鐵硼超強磁鐵。為了增大感應(yīng)電動勢，演示實驗我們采用了圓柱形釹鐵硼超強磁鐵 （比普通磁鐵強10倍左右）。

⑤制作二極管電路。紅、藍2個LED燈二極管分別焊在鋁塑板上，LED燈并聯(lián)反接，用導線與螺線管連接，形成閉合回路，繪制電路圖，如圖1所示。LED燈并聯(lián)反接，由于二極管有單向?qū)щ娦裕看未盆F插入和拔出線圈時產(chǎn)生的感應(yīng)電流只能使其中一只二極管發(fā)光。由于我們繞制了5000匝的線圈，當強磁鐵插入和拔出線圈時，產(chǎn)生了足夠大的電壓，能使二極管正常發(fā)光。

2 引入實驗

使用示教板進行教學時，我們首先演示銅管對比實驗：讓兩個磁鐵同時開始在玻璃管和銅管下落，要求學生觀察兩者下落是否一樣快。學生可以觀察到實驗現(xiàn)象是：磁鐵在銅管中下落較慢。在教學時，我們可以適時向?qū)W生拋出問題：磁鐵為什么在玻璃管和銅管中下落不一樣快呢？在引起學生的濃厚興趣時，我們可以及時引入新課：要回答這個問題，我們要學習一種判斷感應(yīng)電流方向的普遍規(guī)律：楞次定律。

3 探究實驗

教學過程中我們要引導學生猜想可能影響感應(yīng)電流方向的因素：磁鐵的運動方向、磁場的方向、磁通量的增減等等，然后根據(jù)學生的猜想進行引導梳理，幫助學生分析確定可探討的因素，并設(shè)計記錄表格。

教師實驗時提出問題：如何確定感應(yīng)電流的方向呢？學生經(jīng)過探討，教師要適時給予點撥，讓學生知道由于二極管有單向?qū)щ娦裕看未盆F插入和拔出線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流只能使其中一只二極管發(fā)光，可以根據(jù)二極管發(fā)光顏色判斷感應(yīng)電流的方向。

圖2

表1

圖3

當強磁鐵N極插入螺線管時，藍色二極管發(fā)光，如圖2所示，原磁場方向向下，穿過線圈的磁通量增加，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流從藍色二極管正極進入使其發(fā)光，線圈中的感應(yīng)電流方向（俯視看）為逆時針。

當強磁鐵N極向上拔出螺線管時，紅色二極管發(fā)光，如圖3所示，原磁場方向向下，穿過線圈的磁通量減少，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流從紅色二極管正極進入使其發(fā)光，線圈中的感應(yīng)電流方向（俯視看）為順時針。

同理，線圈當強磁鐵S極插入或者拔出螺旋管時，根據(jù)二極管的發(fā)光情況可以判斷感應(yīng)電流的方向。我們演示實驗過程中，要求學生填寫表1前三列。

4 引導中介，深入探究

問題引入：可以根據(jù)上面的實驗結(jié)果概括出感應(yīng)電流的方向與磁通量變化的關(guān)系嗎?

當學生會發(fā)現(xiàn)僅僅根據(jù)以上結(jié)果很難概括出感應(yīng)電流與磁通量的變化的關(guān)系。那要怎么樣才能找出它們的關(guān)系呢？可以找一個中介做一個橋梁。這個中介就是感應(yīng)電流的磁場。感應(yīng)電流的磁場方向既跟感應(yīng)電流的方向有聯(lián)系,又跟引起磁通量變化的磁場有關(guān)系。

藍色二極管發(fā)光時，線圈中的感應(yīng)電流方向（俯視看）為逆時針，由右手螺旋定律則知感應(yīng)電流的磁場向上；紅色二極管發(fā)光時，線圈中的感應(yīng)電流方向（俯視看）為順時針，由右手螺旋定律則知感應(yīng)電流的磁場向下。把表1補充填寫完整。

5 歸納分析，得出結(jié)論

根據(jù)上面的探究結(jié)果，我們可以和學生一起分析歸納：原磁通增加，則感應(yīng)電流磁場與原磁場相反，有阻礙變大作用。原磁通減少，則感應(yīng)電流磁場與原磁場相同，有阻礙變小作用，即表現(xiàn)出“增反減同”，并將此概括為“阻礙變化”，由此我們可以得出判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，就是感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁場的磁通量的變化，這就是楞次定律。

6 定律的理解和應(yīng)用

在教學中，我們還要從以下兩方面闡述楞次定律中“阻礙”兩字的含義：（1）從阻礙磁通量變化看：誰起阻礙作用?——感應(yīng)電流的磁場。阻礙什么?——原磁場磁通量的變化。如何阻礙?——“增反減同”。阻礙的結(jié)果?——不是阻止、不是相反，是延緩了變化的過程。（2）從相對運動看，感應(yīng)電流的磁場總是阻礙相對運動，體現(xiàn)出“來拒去留”。在銅管（可視為很多線圈疊加而成）中，由于強磁鐵的下落產(chǎn)生感應(yīng)電流，隨即產(chǎn)生磁場，由楞次定律可知感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場會阻礙磁鐵下落，而磁鐵在玻璃管中下落不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，造成磁鐵在銅管中下落時間比較長。通過解說既能使學生明白銅管對比實驗的實驗原理，又能讓學生享受學以致用的喜悅。

7 實驗創(chuàng)新之處

我們認為這款楞次定律的演示裝置主要有以下創(chuàng)新之處：（1）利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦阅芸焖俅_定感應(yīng)電流的方向。強磁鐵進出螺線管時根據(jù)不同顏色發(fā)光二極管的發(fā)光情況能快速確定感應(yīng)電流的方向，進而判斷原磁場和感應(yīng)電流磁場的方向，驗證了楞次定律，避免了利用電流表的偏轉(zhuǎn)方向來判斷感應(yīng)電流方向的繁瑣過程。（2）紅、藍色二極管發(fā)光亮度高，實驗現(xiàn)象明顯，能極大地引起學生的注意力，實驗演示效果好。（3）引入實驗現(xiàn)象對比明顯，磁鐵在銅管中下落要比在玻璃管中下落得慢，與學生兩個鐵球同時落地的經(jīng)驗相矛盾，能較好地引起學生的學習興趣,激發(fā)學生的探究熱情。（4）示教板把演示實驗從平面走向立體，實驗操作簡單，實用便捷，演示效果好。