“激光電磁感應演示儀”的設計制作與拓展應用

陳文莉 黃 蕾 程雪梅

(1. 重慶市大渡口區教師進修學校,重慶 400080; 2. 重慶市第九十四中學,重慶 400080)

1 引言

2011年版《義務教育物理課程標準》對“科學探究:怎樣產生感應電流”的教學作出以下要求:“通過實驗,探究并了解導體在磁場中運動時產生感應電流的條件”[1],明確強調要用實驗方式進行科學探究,以促進科學概念的轉化和物理新概念的構建.

滬科版九年級物理教材配置的實驗如下:將一根導體的兩端用細導線懸掛起來,并與靈敏電流計、開關串聯組成閉合電路,再將導體放在蹄形磁鐵的磁場中,探究導體在磁場中怎樣運動才能產生電流,并探究影響電流方向的因素.實際操作中發現存在以下問題: (1) 磁場的磁感線分布比較抽象,學生難以體會何謂導體切割磁感線?何謂不切割磁感線? (2) 當導體切割磁感線時,靈敏電流計指針的偏轉角度較小,可視性不高.

筆者設計自制的“激光電磁感應演示儀”,利用激光模擬磁感線,實現了“可視化”切割磁感線的演示,讓學生親自體驗感應電流的產生條件;并且為了加大指針偏角,分別用多匝線圈、強力磁鐵替換單根導線和蹄形磁鐵.本教具彌補了中學物理教學中這類器材的匱乏,實際課堂教學效果很好.

2 “激光電磁感應演示儀”的設計、制作和演示

2.1 所需器材

PVC廣告牌一塊(1m×1m)、USB接口線、強力磁鐵兩塊(10cm×3cm),噴霧油漆(藍色與紅色各一瓶)、加濕器、激光源(5V點狀紅色激光頭12個)、線圈、導線、開關、靈敏電流計.

2.2 設計思路

在滬科版九年級物理教材配置實驗的基礎上,“激光電磁感應演示儀”增加3項改進: (1) 利用多組激光束模擬磁感線分布,將抽象的磁感線具體化,為導體的運動確定了參照物,幫助學生理解“什么叫切割磁感線運動”.同時為了增加激光的可視效果,借助加濕器的噴霧來顯示光路,讓磁感線的分布清晰醒目.(2) 因單根導線切割磁感線產生的電流很小,靈敏電流計的指針偏轉不明顯,所以將單根導線換成多匝線圈,蹄形磁鐵換成強力磁鐵.(3) 演示實驗不僅要追求實驗現象的簡明,更要設法提高實驗的可見度,讓全體同學都能清楚看見實驗裝置、操作過程和產生的現象.所以我們將演示儀放大尺寸,并且在磁鐵表面染上紅色和藍色來模擬蹄形磁鐵,同時標注醒目的南北極字母,線圈也加大尺寸,使實驗更加立體生動,增強視覺刺激.

2.3 制作步驟

安裝充電激光源和磁鐵:將PVC板切成若干矩形板塊(30 cm×20 cm)和兩個小板塊(20 cm×15 cm).取一小板塊(20 cm×15 cm),中央空出一塊,嵌入強力磁鐵(鐵氧體黑磁鐵9 cm×5 cm),其余位置等間距區分出相對的兩行六列共12個位置,對著這12個位置扎孔,插入紅光激光源[2](如圖1).

圖1 安裝激光源和磁鐵的示意圖

圖2 磁鐵模具正面圖

制作磁鐵模具:再取一塊小矩形PVC板塊,中央嵌入強力磁鐵.將做好的2個板塊面對面組成兩極,讓裝有激光源的板塊在上層(如圖2).接著用剩余的PVC小矩形板塊圍繞著上面兩個板塊組成一個U形的方體模型,再用紅、藍色噴漆涂色,并標上N、S極(如圖3).需要注意的是,激光源并聯連接后,從模具后面引出導線接上一個USB插口(如圖4),使用時將USB與常見的手機充電寶相連即可.

圖3 磁鐵模具側面圖

圖4

煙霧控制裝置:剩余PVC板切割成一個小槽,如U型(如圖5甲),放在加濕器上,用于控制煙霧的方向和大小(如圖5乙).另外,加濕器里若裝熱水,煙霧效果更佳.

圖5 煙霧控制及產生裝置

最后,將制作好的各部分器材進行組裝,“激光電磁感應演示儀”就制作完成.圖6是“激光電磁感應演示儀”在正常工作時,線圈的一個邊做切割磁感線運動產生的感應電流使靈敏電流表指針偏轉的情景.

圖6 演示儀產生感應電流的情景圖

2.4 實驗演示

將“激光電磁感應演示儀”后端的USB插口接上電源,裝置上下極板所鑲嵌的多個激光源立即工作,顯示出紅色光路,光線細密的分布宛如從磁鐵北極發出指向南極的磁感線(蹄形磁鐵兩極內側附近區域的磁場可近似看作勻強磁場),用具體的光路來形象模擬磁感線的分布.為了讓光路“可見度”提高,啟動加濕器,用產生的噴霧來顯化光的路徑.

當線圈、開關和靈敏電流計,用導線串連起來后,它們便形成一個回路,線圈的一部分放進“激光電磁感應演示儀”,并且當這部分線圈切割磁感線運動時產生感應電流.學生可以直觀地看到,如果把線圈的這部分比作刀,若能將磁感線切斷,就是“切割磁感線”,可以產生感應電流;而如果這把刀的放置方向或者運動方向二者之一與磁感線方向平行時,就是“不切割磁感線”,無感應電流,這樣就加深了學生對“切割”的理解.

3 “激光電磁感應演示儀”在其它實驗中的拓展應用

應用1——作為“磁是什么”的引入:在初中物理“磁是什么”的教學中,教師先喚醒學生對哪些物體會有磁性的已有認知.通常情況下學生的第一反應是條形磁鐵和蹄形磁鐵．此時教師向學生展示“激光電磁感應演示儀”,學生見到一個巨型的蹄形磁鐵,視覺沖擊帶來的新奇感會激發學生學習的興趣.接著教師接通電源,一束束紅色激光從N極指向S極,在學生驚奇的一刻,教師適時提出問題:這些紅色光束代表什么?它們是從哪里到哪里?為什么會這么排列呢?進而逐步介紹磁極、磁場、磁場方向、磁感線等一系列內容.

應用2——演示“磁通量及其變化”:在高中物理選修3-2“法拉第電磁感應定律”一節教學中,教師可通過“激光電磁感應演示儀”的演示,首先幫助學生理解磁通量及其變化的含義,接著繼續利用該儀器的演示,幫助學生認識磁通量變化的快慢引起感應電動勢的大小不同,導致電流大小隨之不同的現象,甚至能夠為后續“交流電的產生”的學習奠定基礎[3].

4 結語

“激光電磁感應演示儀”結構簡單、便于攜帶、操作方便,并且系教材中學生實驗基礎上的改進,學生觀察時,代入感很強,容易將演示實驗現象與學生實驗結合起來分析理解.接通電源后,醒目的磁感線分布,有助于幫助學生自主認識導體運動的幾種情況,加深對切割磁感線的理解.該儀器在設計時,在提供激光工作的電源上采用了USB接口,只需要攜帶一個充電寶,便可以任意時間任意地點進行實驗演示,避免了對電源插口過高的要求,非常便利實用,值得在教學活動中推廣使用.