基于實(shí)驗(yàn)合理外推線圈在輻向磁場(chǎng)中的受力情況

黃衛(wèi)良

(張家港市樂余高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215621)

用微元法推導(dǎo)線圈在輻射磁場(chǎng)中的受力情況，嚴(yán)格說是一種純數(shù)學(xué)方法[1].作為補(bǔ)充，筆者在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行合理外推，更符合學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知規(guī)律.

1 讓方形線圈唱歌

找一個(gè)老人用聽?wèi)驒C(jī)，插入存有MP3歌曲的內(nèi)存卡，并打開后蓋，把焊接在喇叭上的兩根導(dǎo)線脫開，將這兩根導(dǎo)線延長(zhǎng)后接到方形線圈的兩端，即用方形線圈代替了喇叭，如圖1所示，并在方形線圈的一條邊附近放置1塊小型馬蹄形磁鐵.

圖1 音頻電流通入方形線圈

教師：同學(xué)們，見證奇跡的時(shí)刻到了，請(qǐng)注意傾聽.

學(xué)生：天哪.方形線圈居然會(huì)發(fā)出音樂？會(huì)不會(huì)另外有喇叭在播放？

教師讓學(xué)生上講臺(tái)檢查，學(xué)生發(fā)現(xiàn)的確是方形線圈在發(fā)聲，但即使把播放器的音量旋鈕調(diào)節(jié)到最大位置，線圈播放的聲音還是比較微弱.

教師：線圈為什么會(huì)唱歌呢？

學(xué)生：……

教師接下來再把一個(gè)電流傳感器串聯(lián)入方形線圈回路，讓學(xué)生觀察其中電流的變化[2]，如圖2所示.

學(xué)生：明白了，線圈中通有大小方向不斷變化的電流，磁場(chǎng)就對(duì)線圈產(chǎn)生大小方向不斷變化的安培力，從而帶動(dòng)線圈振動(dòng)而發(fā)出聲音.

圖2 傳感器檢測(cè)方形線圈中電流

教師：很好.這樣的電流稱為音頻電流，其變化規(guī)律和錄制音樂的規(guī)律是一致的.

2 增加馬蹄形磁鐵的數(shù)量

教師：用一個(gè)馬蹄形磁鐵，線框唱歌的音量實(shí)在是太小了.接下來老師放入第2、第3個(gè)馬蹄形磁鐵，同學(xué)們認(rèn)真觀察，看看有什么變化？

學(xué)生：線框播放音樂的聲音變大了.

教師：為什么聲音變大？同學(xué)們會(huì)解釋嗎？

學(xué)生：因?yàn)閷?dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度變長(zhǎng)了.

教師：很好.

教師接下來PPT展示以上用1,2,3塊磁鐵實(shí)驗(yàn)的示意圖，如圖3所示.

依次加入1塊、2塊、3塊磁鐵,可發(fā)現(xiàn)線圈發(fā)出的音樂逐漸變強(qiáng)

3 合理外推

教師：同學(xué)們，在依次放入1,2,3塊馬蹄形磁鐵的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我們把磁鐵越放越多，如圖4所示.請(qǐng)同學(xué)們合理外推下,線框在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度，最大可以達(dá)到多少？

合理外推:隨著磁鐵越放越多,線框在磁場(chǎng)中有效長(zhǎng)度最大是多少?

學(xué)生：應(yīng)該是線框的4條邊全部放滿磁鐵，最大有效長(zhǎng)度，就是線框的周長(zhǎng).

教師：很好,當(dāng)線圈4條邊都放滿磁鐵后，就可以把所有磁鐵合并為一個(gè)大的方形磁鐵，線框外側(cè)就是S極，內(nèi)側(cè)就是N極，這實(shí)際上已經(jīng)是一個(gè)方形輻向磁場(chǎng)了.

教師投影展示示意圖，如圖5所示.

教師：同學(xué)們，有沒有發(fā)現(xiàn)，如果把這個(gè)方形的輻向磁場(chǎng)進(jìn)一步合理外推為圓形輻向磁場(chǎng)，如圖6所示，則線圈在磁場(chǎng)中的最大有效長(zhǎng)度就變?yōu)槎嗌伲?/p>

圖5 四周放滿磁鐵合理外推為方形輻向磁場(chǎng)

圖6 方形輻向磁場(chǎng)合理外推為圓形輻向磁場(chǎng)

學(xué)生：就是其周長(zhǎng).

教師：如果考慮線圈的匝數(shù)呢？

學(xué)生：就是周長(zhǎng)與匝數(shù)的乘積.

教師：很好，我們通過實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)一步合理外推，發(fā)現(xiàn)了圓形輻向磁場(chǎng)中的線圈，其在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度就是周長(zhǎng)與匝數(shù)的乘積，這樣線圈受到的安培力就最大，線圈振動(dòng)的效率就最高.實(shí)際的揚(yáng)聲器就是因?yàn)椴捎昧诉@樣的輻向磁場(chǎng)，而有效提高了振動(dòng)發(fā)聲的效率.同學(xué)們課后可以找個(gè)廢舊玩具上的小喇叭拆下磁鐵，去進(jìn)一步了解輻向磁場(chǎng).