感應電流產生器的制作與使用

(1. 南京市雨花臺中學,江蘇 南京 210000; 2. 鹽城市亭湖高級中學,江蘇 鹽城 224301)

2017年12月,教育部制定并發行了《普通高中物理課程標準》,其實施建議中強調:在教學設計和教學實施過程中要重視情境的創設．創設情境進行教學,對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用．物理概念的建立需要創設情境．[1]創設情境的方法有多種,而實驗現象的引入最為常見．

在探究感應電流產生的條件時,教師為了創設情境,可呈現的實驗現象也多種多樣．現行各種版本的教材中,多數是利用磁鐵插入、拔出閉合線圈的方法,根據靈敏電流計的電流方向和偏轉角度,來探尋“磁生電”的規律．上述實驗模擬了法拉第探究感應電流的實驗,實驗現象相對清楚,是眾多教師上課時的首選方案．但是在演示過程中,要處理好檢流計指針偏轉方向和電流方向的關系、線圈繞向與電流方向的關系,才方便觀察感應電流的方向,學生對線圈中感應電流方向和感應磁場方向的準確判斷還存在一定難度．

卡文迪許實驗室有一傳統就是:“用最平常的儀器做出最優秀的成果才算真本事．”李政道曾說:“自己動手做的儀器,永遠比買的好,這是一條定理．”[2]本著這一信念,筆者從身邊的材料出發,利用亞克力有機玻璃管、漆包線、彈力球、彩色LED貼片,設計了一種感應電流產生器．結合LED燈片和數字化實驗設備,可以定性和定量地探究感應電流產生的條件、大小和方向的相關因素．本文就器材的制作和推廣使用作詳細闡述．

1 實驗教具示意圖

圖1所示為本教具的示意圖,由有機玻璃管(a)、銅漆包線繞制的螺線管(b)、LED發光二極管(c)、釹鐵硼強磁鐵(d)等部件組成．

圖1 實驗教具示意圖

2 實驗教具制作

圖2所示為器材原料:帶有螺帽的有機玻璃管(長70 cm)一根(a)、海綿保護套兩個(b)、橡皮彈球一個(c)、釹鐵硼強磁鐵一塊(d)、紅黃綠藍四種顏色的LED貼片8根(e)、直徑0.44 mm的漆包線若干米(f)．

圖2 器材原料

器材的制作步驟:將漆包線同向繞制180匝,與LED貼片串聯并貼在有機玻璃管上,左右對稱各繞四組．強磁鐵為釹鐵硼材質,該材料特點是磁性強但硬度小,在與螺帽相互撞擊時很容易損壞,對玻璃管傷害也比較大,所以用強力膠在玻璃管螺帽上粘貼彈力球,以保護磁鐵,如圖3(a)、(b)所示．

將磁鐵放入玻璃管中,擰緊螺帽,如圖3(c)所示．在玻璃管兩側套上塑料泡沫以保護玻璃管,實驗器材成品圖如圖3(d)所示．

(a) 切割彈力球 (b) 將彈力球粘貼到螺帽上

(c) 放入強磁鐵 (d) 實驗器材成品圖

3 教具使用方法

用途1:作為探究感應電流條件引入新課的趣味實驗．

封閉玻璃管,以一定的速度來回晃動玻璃管中的磁鐵時,我們可以觀察到LED貼片發出了醒目的七彩光芒(如圖4)．

(a) 綠色LED貼片 (b) 藍色LED貼片

此實驗作為創設物理情境,物理現象比傳統的課本演示實驗更為明顯,更容易吸引學生的注意力,激發學生的興趣．學生也會產生疑問:明明沒有電源,為什么LED燈片可以發光?從而引導學生對實驗現象產生原因做更深一步的探究,得到產生感應電流的條件．

用途2:探究影響感應電流大小的因素．

將該實驗裝置與數字化實驗儀器串聯,如圖5(a)所示,可以得到磁鐵通過一組線圈時線圈中電流變化的過程．如圖5(b)所示,是磁鐵N極向下自由落體運動通過螺線管時電流的圖像．觀察電流時間圖像可以得到:感應電流的大小與磁鐵通過螺線管的速率有關,不同的速率對應磁鐵穿過螺線管的時間不同,磁鐵通過螺線管的時間越短,感應電流越大．而磁通量變化量是一樣的,也就是說,磁通量的變化率越大,感應電動勢越大．

從數字化信息采集處理系統(DIS)數據采集器得到的I-t圖像我們還可以看出,N極進入螺線管和S極離開螺線管產生的電流方向相反,這說明感應電流的方向與磁場的方向有關．我們用S極進入螺線管,發現感應電流方向與N極進入螺線管方向相反．說明感應電流的方向與磁通量的變化有關．通過多次實驗,可以得到這樣的結論,感應電流產生的磁場總是阻礙引起感應電流磁場磁通量的變化．

(a) (b)

用途3:定量分析感應電動勢的表達式．

根據法拉第電磁感應定律,計算得到通過單組線圈的感應電動勢為

LED貼片的額定電壓約為6 V,當改變匝數(如減少為100匝),或者改變運動的時間(如減慢磁鐵來回運動的速度),會發現LED貼片亮度的變化,甚至出現不亮的現象,不斷調整匝數和運動的時間,可以比較精確的計算出感應電動勢的大小,從而得出法拉第電磁感應定律的具體表達式．

本自制教具力求創設物理情境形成物理概念;提高學生科學思維的模型建構和質疑創新能力;本著提高科學探究能力,嘗試提出問題并作出合理的解釋,以達預期效果．