巧用可拆變壓器探究電磁感應現象

王洪濤 劉召新

[深圳外國語學校(龍華) 廣東 深圳 325000](余姚市第四中學 浙江 寧波 315400)

1 制作背景

“電磁感應”是人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·選修3-2》中的重點內容，關于電磁感應的應用教材提供的案例主要是：如圖1真空冶煉爐，這個案例雖然是一種重要的應用，畢竟在學生的日常生活中見不到，所以缺少親近感和信任度；圖2電磁驅動作為成品的教學儀器，盡管實驗效果不錯,仍然缺少自制教具的天生親切感.筆者利用可拆變壓器加上常見的生活物品設計了系列實驗,不但能達到教材實驗的效果，而且優化和完善了電磁感應現象的實驗演示.

圖1 真空冶煉爐 圖2 電磁驅動演示儀器

2 實驗裝置

如圖3所示，用可拆變壓器作為主要裝置,自己動手繞制的簡易線圈,再配合鋁環和鐵碗,這些元件按照不同的組合分別將電磁感應的現象以各種不同的形式呈現出來.各部分組件的名稱詳見圖3下方的標注.

圖3 實驗組件

3 實驗裝置的主要結構和功能介紹

(1)可拆變壓器. 選用原線圈額定電壓超過220 V,額定電流超過2 A的可拆變壓器.

(2)鋁環.”跳環”實驗演示電磁阻尼.

(3)自制線圈. 演示互感.

(4)多匝線圈. 多匝互感.

(5)鐵碗.演示渦流生熱現象.

4 實際教學的探究過程

4.1 變壓器鐵芯的作用

如圖4(a)所示,可拆變壓器鐵芯半閉合，左邊原線圈接上220 V交流電，右邊用自制線圈代替副線圈，此時副線圈所在閉合回路中的燈泡沒有發光.如圖4(b)所示，將鐵芯閉合，燈泡立即發光.在鐵芯外面靠近一個多匝線圈，如圖4(c)所示,燈泡沒有發光.

圖4 驗證變壓器鐵芯的作用

實驗結論：鐵芯能夠約束磁場，傳導磁感線，閉合的鐵芯能夠減少漏磁.

4.2 線圈匝數對電磁感應的影響

如圖5(a)所示,原線圈接上220 V交流電，可拆變壓器鐵芯半閉合時，用匝數較少的自制線圈時，副線圈所在閉合回路中的燈泡沒有發光.如圖5(b)所示，換用多匝線圈時，所在閉合回路中的燈泡能夠發光.如圖5(c)所示,兩個線圈同時套在右邊鐵芯，兩個燈泡一個發光，一個不發光，形成明顯的對比.

圖5 線圈匝數對電磁感應的影響

實驗結論：電磁感應產生的感應電動勢跟線圈的匝數有關，匝數越少，感應電動勢越小，匝數越多，感應電動勢越大.

4.3 電磁驅動

4.3.1 “跳環”實驗

如圖6(a)所示,把可拆變壓器的鐵芯拆開豎直放在線圈的上方，把鋁環套在鐵芯上.原線圈接在220 V交流電源電路，當閉合開關時，原來靜止的鋁環立即向上跳起，形成如圖6(b)所示的跳環現象.

圖6

4.3.2 “懸浮環”實驗

如圖7(a)所示,把可拆變壓器的鐵芯拆開豎直放在線圈的上方，把兩個鋁環套在鐵芯上，在上方放置一個塑料擋板。原線圈接在220 V交流電源電路，當閉合開關時，如圖7(b)原來靜止的兩個鋁環相繼向上向上跳起，最終由于塑料板的阻擋，形成如圖7(c)所示的懸浮環現象.

圖7 懸浮環實驗

實驗結論：電磁感應現象中，由于產生電磁感應的回路總要阻礙原磁通量的變化，所以就產生了力的作用.

4.4 渦流加熱自制電磁爐

圖8是自制電磁爐的圖片.

圖8 自制電磁爐

如圖8(a)所示,先展示電磁爐進行燒水的生活實例，詢問學生電磁爐燒水的原理，進行相關猜想和討論.如圖8(b)所示.

把可拆變壓器鐵芯半拆開，線圈接上220 V交流電，把盛少量水的鐵碗放在線圈上面.過一會，線圈上的水產生了水蒸汽，伴有嘶嘶的沸騰聲音，電磁爐的加熱原理就明白了.

實驗結論：電磁感應現象中，靠近的金屬導體內部產生許多閉合的電流，稱之為渦流.渦流使金屬導體產生發熱現象.

5 該裝置的特點

本裝置取材方便，實驗現象明顯，巧妙地將抽象的電磁感應以光、運動、熱等現象直觀地呈現出來，是一個系列實驗儀器套裝.利用該裝置進行實驗探究更貼近生活，靠近問題的本源，使學生更容易理解，實際教學效果很好.