電磁感應現象實驗改進

陳顯灶（北京師范大學廈門海滄附屬學校，福建 廈門）

一、實驗目的

1.探究影響感應電流方向的因素；2.知道電磁感應中電能的轉化；3.培養實驗探究的技能；4.通過實驗探究，知道導體在磁場中運動時產生感應電流的條件；5.經歷科學探究中的交流合作過程，培養探討問題的興趣習慣。

二、對教材實驗的思考及改裝

教材中的實驗內容：將一根導體的兩端用細導線懸掛起來，并與靈敏電流計、開關組成串聯閉合電路。將導體放在U型磁體的磁場中，探究導體在磁場中怎樣運動才能在電路中產生電流，并探究影響感應電流方向的因素。

存在的不足：教材中提供的實驗方案，主要是通過觀察靈敏電流計指針的偏轉來確定是否產生感應電流和判定電流方向。在實際的演示過程中，靈敏電流計的指針偏轉角度較小，效果非常不明顯，而且后排同學也看不清楚電流計指針的變化。演示效果不明顯主要有三方面的原因：1.實驗中是用單匝導線做切割磁感線運動，產生感應電流過小。2.實驗中蹄形磁鐵的磁性太弱，導致效果不明顯。3.使用靈敏電流計可視性較差，不易觀察。

改進的思考：針對存在的問題，現對實驗進行了改進。1.使用多匝導線代替單匝導線，做切割磁感線運動。2.在蹄形磁體的兩極處添加兩塊強磁，以增強磁鐵的磁性。3.利用發光二極管的單向導電性，設計出顯示儀器代替靈敏電流計，使實驗效果明顯，可視性好。設計電路如圖所示：

實驗中，將靈敏電流計用兩種不同的發光二極管（LED）代替，通過觀察燈是否發光來判斷是否有電流產生以及電流的方向。實驗中規定，紅燈亮代表有正向電流通過，此時與之并聯的反方向的綠燈將不亮。反之，綠燈亮紅燈不亮。因此，可以通過紅綠兩種不同顏色的LED燈來顯示電流的方向不同。

三、實驗方法

主要是轉換法和控制變量法。

四、教學過程設計

1.探究感應電流產生的條件

根據實驗的目的和研究對象，需要磁鐵和電線；檢查電路中是否有電流，需要電流表；控制電路必須有開關。

教科書是為了探索電路而設計的：一個導體ab懸浮在馬蹄磁鐵的兩極之間，導體的兩端連接在電流表上，為了探索導體在磁場中產生電流的條件，我們逐一進行了實驗。先用這種裝置進行實驗，實驗效果不明顯，后排同學普遍反應看不清楚指針的變化。因此我們用LED燈來代替電流計（LED燈介紹略），并對實驗中的測量裝置部分進行改進，改進后電路中的電流利用燈光來觀察，實驗現象更加直觀。同時為了增強實驗效果，在U型磁體上加強磁以大大增強磁性，使實驗現象更加明顯。

實驗中，保持磁鐵位置不變，當電路閉合，導體ab在磁場中左右或斜著運動的條件下，電路中總有一盞LED燈會亮，即產生了磁生電現象，而導體靜止時或在豎直方向上下運動時，沒有燈亮。再保持導體棒不動，左右移動磁鐵，電路中有燈亮，上下移動時燈不亮。仔細分析表明，保持磁鐵位置不變，左右移動或斜著移動時切割磁感線，上下移動或靜止時不切割磁感線，保持導體棒靜止，左右移動磁鐵，也相當于導體切割磁感線。

實驗表明，當閉合電路的導體的一部分在磁場中運動時，導體中會產生電流。這種現象稱為電磁感應，所產生的電流稱為感應電流。

2.探討影響感應電流方向的因素

使上述實驗裝置保持不變，反復改變磁場的方向或改變導體在磁場中的方向，紅綠燈的發光情況也會相應改變，說明電路中感應電流的方向發生了變化。當保持蹄形磁鐵上面S極時，導體棒左移，紅燈亮，右移，綠燈亮，說明感應電流方向與導體運動方向有關；而當蹄形磁鐵上面N極時，再左移導體棒，綠燈亮，與此前上面S極時左移導體棒的現象不同，感應電流的方向也與磁感應線的方向有關。由此得出，導體中感應電流的方向與導體的運動方向和磁感線的方向有關。

3.討論電磁感應現象中能量的轉化

在電磁感應現象中，導體做切割磁感應線的運動，外力做功。它消耗機械能量并獲得電能。因此，在電磁感應現象中，實現了機械能向電能的轉換。

4.理解電磁感應現象的注意事項

首先，需要注意的是電路必須是“閉合的”。如果不閉合，即使導體在磁場中移動，也不會產生感應電流。

第二，注意磁場中的導體是電路的“一部分”，而不是整個電路。如果電路都在磁場中，情況就復雜多了。這就超出了初中物理所探討的范圍。

第三，注意“切割磁感線”的運動。如果部分閉合電路在磁場中沿與磁感應線平行的方向移動，則不會產生感應電流。

五、教學反思

本次實驗通過對測量電路進行改進，借助LED燈及其單向導電特性，使實驗現象更加直觀，同時在U型磁體上加強磁以增強磁性，使現象更明顯，課堂效果較好。但在實驗過程中由于空間色彩的干擾，加上本實驗的快速性，使得有時現象較混亂，因此，可以在LED燈旁增加白色背景，增強實驗效果；用5盞LED燈并聯組成箭頭形狀，使實驗現象更直觀，亮度更高，效果更明顯。