一款渦流電磁阻尼演示儀的自制與創(chuàng)新

摘?要：對傳統(tǒng)渦流電磁阻尼演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，將傳統(tǒng)的雙管對比實(shí)驗(yàn)改為斜面實(shí)驗(yàn)，并將磁鐵與發(fā)光二極管組合在一起，可以直觀地觀察到磁鐵的運(yùn)動(dòng)情況，讓學(xué)生體驗(yàn)磁鐵在金屬管中下落會(huì)受到阻力.實(shí)驗(yàn)裝置取材容易、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、性能穩(wěn)定，便于教師自制推廣.

關(guān)鍵詞：自制教具;渦流;電磁阻尼

文章編號(hào)：1008-4134（2019）21-0048?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡介：徐婷婷（1991-），女，浙江臺(tái)州人，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

在中學(xué)物理教學(xué)中演示電磁阻尼和渦流的實(shí)驗(yàn)裝置有很多種，其中有雙管對比實(shí)驗(yàn)：通過演示磁鐵在塑料管與金屬管中的下落情況，讓學(xué)生知道磁鐵在金屬管中下落會(huì)受到阻力.但是，由于金屬管和塑料管材質(zhì)不同，而且金屬管不透明，學(xué)生很難想象磁鐵在金屬管中到底是如何運(yùn)動(dòng)的[1].

為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的各種局限性問題，筆者對傳統(tǒng)雙管實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn).改進(jìn)后的渦流電磁阻尼演示儀，可以讓學(xué)生直接觀察到磁鐵的大致運(yùn)動(dòng)情況.另外該實(shí)驗(yàn)裝置取材容易、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、性能穩(wěn)定、現(xiàn)象直觀，且安全可靠，便于教師自制推廣.

1?實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成與設(shè)計(jì)

1.1?實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示，釹磁鐵沿金屬板構(gòu)成的斜面向下滑動(dòng)，使周圍的磁場分布發(fā)生變化.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀的金屬置于變化的磁場中，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)呈閉合回路，類似水的漩渦形狀，故稱之為渦流.渦流又會(huì)產(chǎn)生磁場阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼.

1.2?實(shí)驗(yàn)材料

支架、30cm×9cm銅板、鋁板、塑料板（其中厚度為1mm的銅板、鋁板、塑料板各一塊，另有一塊厚度為2mm的銅板）、白紙、直尺、圓柱形釹磁鐵、紐扣電池、發(fā)光二極管.

1.3?裝置組裝

如圖2所示，在磁鐵上固定紐扣電池和發(fā)光二極管，增強(qiáng)視覺效果.通過小塑料薄片插在紐扣電池和發(fā)光二極管的引腳之間來控制電路的通斷.實(shí)驗(yàn)時(shí)，將塑料薄片取出，發(fā)光二極管即可發(fā)光.

如圖3所示，為了排除由于板表面粗糙程度不同對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，在每塊板表面覆上一層材質(zhì)相同的白紙.將不同材質(zhì)的板并排斜靠在木質(zhì)支架上，構(gòu)成傾角大小相同的斜面.將兩塊釹磁鐵放置在兩塊板上的同一高度，用直尺擋住阻擋其下滑，如圖4所示.開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，拿開直尺，兩塊釹磁鐵同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，觀察比較兩塊釹磁鐵下滑的快慢，從而判斷電磁阻尼的有無及效果的強(qiáng)弱.

1.4?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

1.4.1?對比塑料板和銅板

取厚度相同的塑料板和銅板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以明顯觀察到磁鐵在塑料板上運(yùn)動(dòng)較快，在銅板上運(yùn)動(dòng)較慢，如圖5（a）所示.這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以證明電磁阻尼作用的存在，也可以證明在金屬導(dǎo)體中能夠形成渦流，從而對磁鐵產(chǎn)生阻礙作用，而在絕緣體中不會(huì)存在這種現(xiàn)象.

1.4.2?對比鋁板和銅板

取厚度相同的鋁板和銅板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以觀察到磁鐵在鋁板上運(yùn)動(dòng)較快，在銅板上運(yùn)動(dòng)較慢，如圖5（b）所示.這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說明渦流的大小與金屬的材料有關(guān)，銅板和鋁板由于電阻率不同產(chǎn)生渦流的大小不同，因此產(chǎn)生電磁阻力的大小也會(huì)不同.

1.4.3?對比不同厚度的銅板

取厚度不同的銅板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以觀察到磁鐵在薄銅板上運(yùn)動(dòng)較快，在厚銅板上運(yùn)動(dòng)較慢，如圖5（c）所示.該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說明渦流的大小與金屬材料的厚度有關(guān).

2?教學(xué)效果

本教具主要應(yīng)用在人教版高中物理選修3-2第四章第七節(jié)渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)中，在實(shí)際教學(xué)的應(yīng)用中有以下特點(diǎn)：

2.1?科學(xué)性

教具演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容符合科學(xué)原理，體現(xiàn)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)過程相統(tǒng)一的原則，磁鐵從金屬板和塑料板上下滑的快慢形成鮮明對比，說明電磁阻尼是存在的，幫助學(xué)生形象地理解電磁阻尼以及電磁感應(yīng)現(xiàn)象.此外對比磁鐵在不同電阻率和不同厚度的金屬上的運(yùn)動(dòng)快慢，可以直觀地展示影響渦流大小的因素.

2.2?創(chuàng)新性

教具設(shè)計(jì)新穎，構(gòu)思巧妙，將原本不能用眼睛直接觀察到的渦流現(xiàn)象通過物體運(yùn)動(dòng)的快慢直觀地體現(xiàn)出來，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比十分明顯，非常具有說服力.

2.3?啟發(fā)性

本教具體現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和思考，適于探究式教學(xué)，有利于學(xué)生主動(dòng)參與、互動(dòng)、合作交流.

2.4?實(shí)用性

本教具制作材料簡單，組裝方便，易于操作，成功率高，安全可靠，造價(jià)低廉，便于自制推廣，可用于教師課堂演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn).

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘天文，肖禹，呂華平.楞次定律雙管對比實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J] .物理教學(xué)探討，2018 （9）：49-51.

（收稿日期：2019-08-08）