楞次定律實驗演示儀的制作及其應用

(1. 江蘇省南京市河西外國語學校,江蘇 南京 210019；2. 江蘇省南京市建鄴高級中學,江蘇 南京 210019)

楞次定律是高中階段較為抽象的物理規律之一,對感應電流的方向的判斷有較高要求。現行教材中的實驗設計需要借助電流計指針的偏轉來判斷感應電流的方向,在教師的指引下,多數學生能夠將電流計指針的偏轉方向轉換成感應電流的方向,從而探究出楞次定律,但仍有部分學生思維容易混亂,針對此情況筆者制作出能夠直觀顯示感應電流方向的教學儀器,對突破楞次定律這一學習難點非常有幫助。

1 實驗原理

如圖1所示,發光二極管(LED)的工作電壓約為1.8V,在電路中接入1.5V的干電池,此時二極管不會發光。磁鐵從線圈中拔出或插入時,會產生感應電流和感應電動勢(約0.3V)。當感應電流與二極管所在電路電流方向一致時,二極管發光,顯示出此時感應電流和感應磁場的方向。

圖1

2 實驗器材準備及制作

圖2

實驗器材為：紅黃發光二極管各11只、KT板5塊、1號干電池兩節、線圈和磁鐵等。

如圖2所示，用小刀在KT板上鏤空出感應磁場和感應電流的形狀,在鏤空位置插入發光二極管,兩種顏色二極管位置依據右手定則確定。將紅黃二極管同色并聯,依據圖1的原理將電池和線圈接入電路,在演示板表面覆蓋一層A4紙張,最后用膠槍固定、封裝。

3 演示儀在課堂教學中的應用

本節課是在傳統的楞次定律教學思路上加上創新設計,確定的教學思路為：引入—演示實驗—填寫表格—規律總結—創新實驗—鞏固練習。

表1

(1) 引入：回顧電磁感應實驗,思考感應電流的方向由哪些因素決定？遵循什么規律？

(2) 演示實驗：利用磁鐵、線圈和電流計,通過電流計指針的偏轉判斷感應電流和磁場的方向。

(3) 填寫表格：表格的填寫依據上述實驗(如表1)。

(4) 規律總結：感應電流產生的磁場總是阻礙原磁場的變化。

(5) 創新實驗過程如下：

① 介紹實驗器材和工作原理。

② 實驗演示。如圖3所示,將N極插入時,演示板上的紅色LED亮起,此時紅色箭頭顯示感應磁場的方向向上,感應電流的方向為逆時針；將N極拔出時,黃色LED亮起,此時黃色箭頭顯示出感應磁場的方向向下,感應電流的方向為順時針(黃色燈光較暗需關閉其他光源)。對比分析表1,可以發現,感應電流產生的磁場總是阻礙原磁場的變化。同理將S極插入或拔出時,也能得到相同的結論。

圖3

③ 實驗反思。演示儀是利用楞次定律制作的,這也算是對楞次定律的一個應用,學以致用,利用學過的知識幫助學生理解,是知識遷移的重要體現。

(6) 鞏固練習：結合人教版書中“問題與練習”1和4幫助學生鞏固所學內容。

4 實驗中值得改進之處

在設計和應用實驗的過程中，筆者發現存在以下改進之處：(1) 除紅色LED外,其他顏色的LED比較暗淡；(2) 由于插入和拔出時間很短,因此該實驗現象十分短暫,需多次演示,反復觀看。

5 結語

本演示儀設計的初衷是幫助邏輯思維能力不強或空間想象力薄弱的學生,無需再通過電流計指針的偏轉判斷感應電流的方向,幫助學生理解和掌握楞次定律，在課堂教學中應用達到了預期效果。