電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼系列實(shí)驗(yàn)教具創(chuàng)新設(shè)計(jì)

尹文慧 盧世才 張軍朋

(1. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006;2. 廣東省深圳市光明區(qū)光明中學(xué)，廣東 深圳 518107)

1 引言

當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，從而使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)；當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，該安培力會(huì)阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁阻尼。目前,在物理教學(xué)中,對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)與電磁阻尼現(xiàn)象的演示通常分開(kāi)進(jìn)行，有部分教具能夠?qū)煞N現(xiàn)象聯(lián)系在一起，但是制作過(guò)程較為復(fù)雜。[1]電磁驅(qū)動(dòng)與電磁阻尼在生活中有很多的應(yīng)用，對(duì)于該現(xiàn)象的實(shí)例分析是教學(xué)難點(diǎn)，但是關(guān)于電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼的應(yīng)用實(shí)例缺少用于課堂的直觀實(shí)驗(yàn)演示，不利于學(xué)生知識(shí)的遷移和實(shí)例分析。

筆者設(shè)計(jì)、制作了電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼系列演示教具，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置把電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼現(xiàn)象聯(lián)系在一起，方便教與學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與教學(xué)用途

2.1 小熊蕩秋千

制作材料：木條、木板、小熊、強(qiáng)磁鐵、細(xì)繩等。

制作過(guò)程：(1) 用木條制作成一個(gè)長(zhǎng)方形木框；(2) 在小熊的底部粘貼一塊薄鋁板，接著把小熊懸掛在木框上；(3) 在長(zhǎng)方形木板一端粘貼一塊長(zhǎng)方形磁鐵，并用墻紙進(jìn)行美化。

如圖1所示，將小熊懸掛起來(lái)，在小熊的下方貼上金屬鋁片，將磁鐵放置在小熊的下方，不與小熊接觸，移動(dòng)磁鐵，小熊會(huì)運(yùn)動(dòng)起來(lái)，由此可以演示電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。

圖1

逆向做小熊蕩秋千實(shí)驗(yàn)：將小熊推到一定高度釋放，使其運(yùn)動(dòng)起來(lái)，將磁鐵放置到運(yùn)動(dòng)的小熊下方，運(yùn)動(dòng)迅速停止，由此可以演示電磁阻尼現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，由于是塊狀導(dǎo)體，在導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙原磁通量的變化，安培力阻礙磁場(chǎng)和導(dǎo)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體隨磁鐵運(yùn)動(dòng)。

教學(xué)用途1：可用于課堂導(dǎo)入，教師演示小熊蕩秋千實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生發(fā)現(xiàn)小熊底部有金屬片，讓其猜測(cè)金屬片是什么材質(zhì)的金屬，多數(shù)學(xué)生猜測(cè)是鐵片。教師再次演示并用磁鐵靠近這個(gè)金屬片，發(fā)現(xiàn)該金屬片不被吸引，故不是鐵片。由此追問(wèn)：小熊蕩秋千的原因是什么？激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，從而形成求知欲，在問(wèn)題驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)學(xué)習(xí)，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生分析該實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和原理，可完成電磁驅(qū)動(dòng)概念的建構(gòu)。

教學(xué)用途2：用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，逆向?qū)嶒?yàn)就會(huì)出現(xiàn)截然相反的現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)著的小熊會(huì)受到阻礙而迅速停下來(lái)。這給學(xué)生制造了強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步探究的熱情。在電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體使其運(yùn)動(dòng)起來(lái)，為什么在逆向?qū)嶒?yàn)中，磁場(chǎng)卻阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)使其很快停下來(lái)？讓學(xué)生猜想原因，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究。

2.2 電磁阻尼擺

制作材料：木條、木塊、圓形磁鐵、鋁板、鐵片等。

制作過(guò)程：(1) 用木條和木塊制作成“T”形，并固定在厚木板(底座)一側(cè)；(2) 把兩根長(zhǎng)螺絲對(duì)稱(chēng)固定在木塊兩側(cè)，接著把兩個(gè)擺的上端穿過(guò)螺絲使其可自由擺動(dòng)，擺的下端固定兩片相同的鋁板；(3) 把兩塊厚鐵片固定在左邊擺正下方的厚木板上，再把兩塊圓磁鐵分別吸在鐵片上。

如圖2所示，兩塊相同的鋁板均置于空氣中，將鋁片從相同的高度同時(shí)釋放，觀察到兩鋁板幾乎同時(shí)停止擺動(dòng)。再在左側(cè)鋁板的兩側(cè)加上可拆卸的磁鐵，再次同時(shí)釋放兩鋁板，可以觀察到在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的鋁片先停下來(lái)。

圖2

實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，在塊狀導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙原磁通量的變化，從而阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)體很快停下來(lái)。

教學(xué)用途：該裝置可用于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生會(huì)猜想導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體可能會(huì)受到阻礙。接著引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，利用電磁阻尼擺實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證猜想，完成電磁阻尼概念的建構(gòu)。

2.3 磁電式轉(zhuǎn)速表

建立電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼概念后，介紹它們?cè)谏钪械膽?yīng)用。磁電式轉(zhuǎn)速表是電磁驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用實(shí)例，汽車(chē)上的轉(zhuǎn)速表能反映發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以判斷汽車(chē)是否啟動(dòng)、是否換擋等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)軸相連，磁鐵固定在轉(zhuǎn)軸上，汽車(chē)啟動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，可以觀察到表盤(pán)上的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)其工作原理，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)如圖4所示的磁電式轉(zhuǎn)速表實(shí)驗(yàn)裝置。

圖4

制作材料：電動(dòng)機(jī)、圓形鋁板、長(zhǎng)方形磁鐵、游絲、指針、學(xué)生電源等。

制作過(guò)程：(1) 在底座上方安裝一個(gè)長(zhǎng)方形框，并在方框上方固定電動(dòng)機(jī)；(2) 分別在長(zhǎng)方形鋁條兩端加上磁鐵，并固定在電動(dòng)機(jī)的軸承上；(3) 在底座另外一邊固定一個(gè)梯形厚鋁板，在鋁板上方穿過(guò)一個(gè)軸承，并在軸承的一段連接圓形鋁板，另一段與指針連接；(4)在指針和鋁板之間裝上游絲和轉(zhuǎn)速表盤(pán)。

實(shí)驗(yàn)原理：磁電式轉(zhuǎn)速表內(nèi)部由磁鐵、感應(yīng)片、轉(zhuǎn)軸、彈簧游絲、指針等組成，感應(yīng)片通常用金屬鋁片，指針和感應(yīng)片的轉(zhuǎn)軸相連。在測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，磁鐵和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，所以磁鐵隨電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁驅(qū)動(dòng)原理，磁鐵帶動(dòng)感應(yīng)片同方向旋轉(zhuǎn)，由此指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，彈簧游絲隨感應(yīng)片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)被扭緊，產(chǎn)生反方向的恢復(fù)力，當(dāng)游絲的恢復(fù)力矩與電磁驅(qū)動(dòng)作用的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩平衡時(shí)，指針?lè)€(wěn)定地指在某一刻度。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)磁鐵的轉(zhuǎn)速增大時(shí)，由電磁驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大，指針就穩(wěn)定在偏角更大的位置。

教學(xué)用途：利用演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)遷移情境，引導(dǎo)學(xué)生完成電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)例分析，讓學(xué)生了解物理知識(shí)在技術(shù)中的應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。

2.4 過(guò)山車(chē)電磁制動(dòng)

電磁阻尼在制動(dòng)方面有廣泛的應(yīng)用，過(guò)山車(chē)就是一例。當(dāng)過(guò)山車(chē)進(jìn)入制動(dòng)區(qū)域時(shí)，軌道下方有強(qiáng)磁鐵，過(guò)山車(chē)的底部有銅鋁合金片或者鋁片，當(dāng)過(guò)山車(chē)進(jìn)入磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)因安培力的作用而減速，最終通過(guò)摩擦輪或其他摩擦制動(dòng)的方式，使過(guò)山車(chē)停下來(lái)。

根據(jù)其工作原理，設(shè)計(jì)如圖5所示的過(guò)山車(chē)電磁制動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。

圖5

制作材料：木條、木板、小車(chē)、鋁片、磁鐵等。

制作過(guò)程：(1) 用木條和木板制作成一個(gè)梯形軌道，用粉色卡紙分成兩條軌道；(2) 在右邊軌道下端底部粘貼一塊磁鐵，左邊軌道下無(wú)磁鐵；(3) 分別在兩輛完全相同的小車(chē)底部粘貼鋁片。

將兩小車(chē)在兩個(gè)軌道上同高度、同時(shí)釋放，會(huì)觀察到在下方有磁鐵的軌道上運(yùn)動(dòng)的小車(chē)先停下來(lái)，由此模仿過(guò)山車(chē)電磁制動(dòng)過(guò)程。

教學(xué)用途：先通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來(lái)視覺(jué)震撼，再引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解釋其中的原理，完成電磁阻尼現(xiàn)象的實(shí)例分析。讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用到實(shí)際生活中去，賦予新知識(shí)以意義，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解釋和解決實(shí)際問(wèn)題。[2]

3 自制教具的特點(diǎn)

(1) 自制教具取材容易、制作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、造價(jià)低廉，適合多數(shù)地區(qū)的課堂教學(xué)。

(2) 運(yùn)用自制教具配合教師的教學(xué)，循序漸進(jìn)地提問(wèn)和引導(dǎo)，能啟發(fā)學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，從而完成概念的建構(gòu)和知識(shí)的遷移。

(3) 自制教具的題材貼近學(xué)生生活實(shí)際，上述系列演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的生活密切相關(guān)，學(xué)生易于接受和理解，能夠讓學(xué)生體會(huì)到物理與社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)。

演示實(shí)驗(yàn)既是中學(xué)物理教學(xué)的內(nèi)容，又是教學(xué)的重要手段，實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計(jì)要體現(xiàn)物理知識(shí)的本質(zhì)，同時(shí)演示實(shí)驗(yàn)要服務(wù)于課堂教學(xué)，充分考慮學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，真正啟發(fā)學(xué)生思維，發(fā)展學(xué)生能力。