磁生電發聲樂器電磁感應演示儀

王 磊 陳建文

一、電磁感應現象的發現

有一個關于電磁感應的故事，法國著名物理學家阿拉果(如圖1所示)在1824年做了一個圓盤實驗，他發現在懸吊的磁針下置一銅圓盤(如圖2所示)，當轉動銅圓盤時，磁針會隨之轉動，但稍有滯后，反之，轉動磁針，銅圓盤也隨之轉動[1]。這個實驗在科學界引起了很大的震動，但當時全世界無人能圓滿地解釋，直到1831年法拉第發現了電磁感應效應后，才對這個實驗有了較正確的解釋[2]。銅圓盤相對磁體運動，銅圓盤各個局部磁通量發生變化，產生感應電流，奧斯特早已發現電流的磁效應，轉動的銅圓盤相當于排滿了小磁針，吸引著上方磁體跟著銅圓盤一起轉動。

圖1 法國物理學家阿拉果

圖2 圓盤實驗示意圖

二、電磁感應中學階段的教學設備

電磁感應是物理學科中相當重要的知識，充分理解該部分內容是以后學習發電機、變壓器等復雜設備的基礎。但是由于電、磁的直觀性差，傳統的授課方法缺乏有效的啟發作用，造成了電磁感應成為高中物理學習中的一個難點，教師在開始教學前通常會利用簡單教具為學生演示，教師利用輔助教具直觀、形象地演示某種科學現象，可以提高學生的學習興趣并充分調動積極性，是一種非常有效的教學手段。尤其是在理科教學中，通過演示某些有趣的現象，引發學生提出疑問進而開動大腦進行思考是非常值得倡導的教學方式。在電磁感應教學中，常用的演示儀器有兩種：(1)在線圈內移動磁體產生感應電流(如圖3所示)；(2)交流電原理演示儀器(如圖4所示)。

圖3 感應電流產生演示儀器

圖4 交流電原理演示儀器

第一種實驗設備是通過動磁場來引起線圈產生感應電流使電流表指針發生偏轉，這個實驗操作簡單、效果明顯，是當下中國各個高中普遍使用的實驗設備。但該實驗的實驗效果相對單一，難以體現電磁感應的強大作用和物理魅力。僅僅產生電流表指針偏轉，難以引起學生的興趣和對學習物理的熱情。第二種實驗設備是利用交流電原理，該實驗相對第一種實驗設備是轉動線圈切割磁場，指針換成小燈泡，實驗效果稍有提升但課堂吸引力仍然有限。由于實驗設備要求器件精度高，轉軸接觸部分的連接總是出現脫落導致沒有物理現象產生。為改變電磁感應實驗教學的現狀，本文介紹一種新的實驗儀器設計。

三、磁生電發聲樂器電磁感應演示儀

1.設備結構

本設計所述的一種應用于物理實驗教學的磁生電發聲樂器電磁感應演示儀，其整體結構如圖5所示，不同視角的部件結構圖如圖6所示。該裝置主體由音板4、架弦橋(2，9)、鋼弦7、蹄形磁鐵6、固定弦碼1、可調弦碼10、音頻端口3組成；音板4的4個角安裝腳架11，音板兩側設有凹槽，凹槽嵌入兩片架弦橋(2，9)，架弦橋2外側音板上有洞穿孔，洞穿孔安裝固定弦碼1，架弦橋9外側音板上有洞穿孔，洞穿孔安裝可調弦碼10，弦碼1和弦碼10之間連接鋼弦7。音板4上貼有音階標記點14，音板4上架弦橋2的內側安裝蹄形磁鐵6，音板下側兩弦碼(1，10)之間通過導線(12，13)連接音頻端口3，音頻端口3固定在音板4下側。

圖5 磁生電發聲樂器電磁感應演示儀整體結構圖

圖6 不同視角的磁生電發聲樂器電磁感應演示儀

2.工作原理

音板4由非導電剛性材料制作而成，不易變形不能導電，音板4頭尾兩側的固定弦碼1和可調弦碼10之間連接鋼弦，鋼弦架在弦橋(2，9)上，通過調節可調弦碼上的調弦柄5調節弦的張緊力使鋼弦張緊，用手撥動鋼弦，調得越緊鋼弦的振動頻率越高，調的越低鋼弦的振動頻率越低。音板4上裝有蹄形永磁體6，這樣鋼弦在振動時就會切割永磁體6的磁感線而產生電動勢。弦碼1和弦碼10由可導電材料鑄成，兩弦碼用導線連接音頻端口3，音頻端口3連接音響，即可使導線和音響之間形成閉合回路從而形成電流，因為導線在振動切割磁感線，所以電流的方向在發生變化，而且電流的周期與鋼弦7振動的周期是完全相同的。即音響發出聲音的頻率和鋼弦振動的頻率一致。而鋼弦的振動頻率由鋼弦長度決定，所以用力撥動鋼弦不會改變聲音頻率，但卻使得切割磁感線的速度變快而產生更大電動勢進而產生更大電流使聲音變大。所以此裝置不僅可以驗證導線切割磁感線會產生感應電流，還可以驗證導線切割磁感線速度快、產生的電動勢大，電流大。

音板4上標記有不同音高的點(14)形成了音階。用手按住不同的點在撥動琴弦，即改變了弦長，改變了頻率，改變了音高，這樣可以根據簡譜來演奏一段簡單的旋律。所以本設備還可以驗證振動頻率和弦長短的關系：弦長越長頻率越低，弦長越短頻率越高。音位按點的確定可以根據西方音樂的十二平均律或者中國傳統音樂的三分損益法[3]。圖7給出了以三分損益法為依據導出的音位點的數據關系，按此關系成比例縮放即可得到正確的音階位點。

圖7 基于三分損益法的音位點的數據關系

四、本設計的使用方法

1.音樂演示

將設備連接，音響接電，調節調弦柄5使鋼弦振動頻率為110 Hz。用左手食指依次按鋼弦不同的音位點并用右手手指撥動鋼弦即可得到A大調自然音階。參照簡譜例如《小星星》(如圖8所示)來移動左手按弦位置，即可得到A大調的《小星星》音樂。

圖8 《小星星》簡譜

2.研究切割磁場速度與電流的關系

空弦下輕輕撥動鋼弦，鋼弦振幅較小，振動速度慢，聽到的聲音小。逐漸增大撥弦力度，振幅變大。根據弦長決定頻率進而決定振動周期即周期不變，振動速度快，聽到的聲音大。聲音大即產生的感應電流強。得出結論：切割速度快產生電流強。

3.研究振動頻率與弦長的關系

左手按住鋼弦在不同的位置上，撥動鋼弦，聽到不同音調的聲音。移動左手按弦點到任意位置對比聲音音調發現。振動弦長越長，音調越低即振動頻率越?。徽駝酉议L越短，音調越高即振動頻率越大。

五、結語

本文介紹了一種將電磁信號轉化為音樂的電磁感應實驗教學儀器。本儀器將枯燥的電磁感應實驗轉變為音樂形式展現，不僅能演示切割磁場會產生感應電流的實驗現象，還可以體現出切割的越快產生的電流越強的原理，課堂效果好，吸引力強；該設計還可以用來演示振動頻率和長度的關系；實驗設備結構簡單，制作成本低，適合于在高中物理課堂普及應用，以增強電磁感應的課程吸引力。