自制楞次定律探究儀

鄧浩儀，李德安，張軍朋

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

楞次定律是高中階段較為抽象的物理規律[1]，本文通過分析教材中楞次定律傳統實驗的不足，總結其教學難點，自制了楞次定律探究儀.利用該儀器探究了感應磁場和感應電流的方向，實驗操作簡單，易于教師演示和學生理解.

1 教材中楞次定律實驗的不足

楞次定律是高中物理電磁學部分的重點內容.經對比多個版本的教材，發現教材中的楞次定律實驗均是通過將磁鐵插入、拔出線圈，觀察靈敏電流計指針的偏轉來判斷產生感應電流的磁場方向，然后總結得出楞次定律[2].教材中的實驗主要存在以下不足：

1)靈敏電流計的構造較為復雜，學生無法觀察到內部構造，實驗前學生需要清楚電流表指針偏轉方向與電流方向的對應關系.

2)靈敏電流計的指針偏轉時間較短，直觀對比性不強.

3)教材的實驗設計是讓學生通過觀察感應電流方向去判斷感應磁場的方向，而又總結出通過感應磁場方向去判斷感應電流方向的規律，其邏輯關系容易使學生產生困惑，并讓學生不能很好地體會感應電流產生的磁場對閉合回路中的原磁通量變化的阻礙作用.

2 楞次定律的教學難點

楞次定律是電磁學部分較為抽象的內容，對培養學生抽象思維能力、綜合運用能力和分析解決實際問題的能力起到至關重要的作用.學生在學習楞次定律時主要存在以下困難：

1)楞次定律涉及的因素較多，例如磁場方向、磁通量的變化、感應電流方向等，學生容易混淆.

2)學生需找出多個物理量之間的關系，并總結出規律.由于該規律隱晦，需要學生具有極強的概括能力，對學生來說具有較大的挑戰[3-4].

3 楞次定律演示儀的制作

基于對傳統實驗與教學難點的分析，自制了楞次定律探究儀，解決了上述問題，并有利于教師開展課堂實驗教學.

3.1 實驗器材

圓柱亞克力(2個)、90°直角支架固定器角鐵(2個)、5 mm紅色發光二極管(15個)、5 mm白色發光二極管(15個)、洞洞板(2片)、強力磁鐵(2個)、鋁管(1個)、雪弗板(若干)、純銅漆包線(直徑為0.55 mm)、圓木棍(直徑為1 cm)、香蕉插頭及配對插座、電工膠布、導線(若干)、美工刀、焊錫、焊錫筆、剝線鉗、熱熔槍、馬克筆等.

3.2 制作方法

3.2.1 線圈的制作

1)利用鋁管作為纏繞線圈的模具，以便增強“來拒去留”的相互作用效果.將漆包線繞鋁管纏繞約1 000匝，并用電工膠布固定，始末均預留出漆包線以便與發光二極管組件連接；

2)用美工刀刮去約3 cm長的漆包線絕緣層.

3.2.2 發光二極管組件的制作

1)由于繞制的線圈所產生的電動勢較小，不足以讓串聯的發光二極管發光，因此可以將發光二極管插在洞洞板上排列成三角形，并以并聯的方式進行焊接，以便達到更好的視覺效果；

2)使用美工刀切割得到1塊15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板，在其中間鏤空2個左右位置對稱但方向相反的三角形，大小與前面排列的發光二極管一致；

3)將焊接好的發光二極管嵌入到雪弗板中，在雪弗板前面用馬克筆畫好并聯的電路，背后利用熱熔槍固定好2個香蕉頭，并用導線連接好發光二極管，如圖1所示.

圖1 發光二極管組件

3.2.3 導線組件的制作

使用美工刀切割得到1塊15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板，在其一面用馬克筆畫1條直線表示導線，另一面利用熱熔槍固定好2個香蕉頭，并用導線連接.

3.2.4 楞次小車的制作

1)用美工刀切割得到2塊10 cm×60 cm×0.9 cm和1塊40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板；

2)用1塊10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板做小車底板，用貼好小車輪子的圓柱亞克力充當小車車輪；

3)在40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板上挖4個孔(2個孔用于安裝線圈，2個孔用于安裝香蕉頭的插座)，垂直放置在小車底板的中央，并利用直角支架固定器角鐵進行固定；

4)為了能制停小車，用1塊10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板充當小車運動的底面，并在其上面固定好4根直徑為1 cm的圓木棍；

5)畫上電路圖，楞次定律探究儀制作完成，如圖2所示.

圖2 楞次定律探究儀

4 楞次定律探究儀的使用

4.1 探究感應磁場方向與原磁場方向的關系

1)如圖3所示，將N極插入或拔出線圈，觀察小車的運動方向，并記錄線圈與磁鐵的關系(排斥或吸引).

(a)插入線圈

2)改變磁極方向，將S極插入或拔出線圈，并記錄線圈與磁鐵的關系.

3)根據磁極的相互作用規律和觀察到的現象，判斷感應磁場方向與原磁場方向的關系(相同或相反)，進一步分析感應磁場對原磁通量的影響，總結得到表1的實驗現象.

表1 探究感應磁場方向與原磁場方向關系的實驗現象記錄表

由表1可以得出：當線圈中的磁通量增加時，感應磁場方向與原磁場方向相反；當線圈中的磁通量減少時，感應磁場方向與原磁場方向相同，即感應磁場總是阻礙原磁通量的變化.

4.2 探究感應電流方向

1)如圖4所示，將發光二極管的組件替換為導線組件，通過感應磁場方向與原磁場方向的關系，讓學生運用“右手螺旋定則”判斷感應電流的方向.

(a)插入線圈

2)撤去小車車輪，將N極插入或拔出線圈，觀察并記錄發光二極管的亮滅情況.

3)將S極插入或拔出線圈，觀察并記錄發光二極管的亮滅情況.得到的實驗現象見表2.

表2 探究感應電流方向的實驗現象

綜合以上實驗，可以得出以下結論：閉合回路中，感應電流產生的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化.

5 結束語

該自制楞次定律探究儀將探究感應電流的方向等價轉換為探究感應磁場的方向，通過讓學生動手感受線圈阻礙磁鐵的相對運動，將感應磁場對原磁通量變化的“阻礙”作用具體化，幫助學生更好地理解楞次定律中“阻礙”的含義，再利用安培定則得到感應電流的方向并驗證.該教具將感應電流和感應電流產生的磁場這2個變量分開，減少了學生學習楞次定律時的干擾性思維，讓學生不必集中注意在過多的變量上，從而有利于學生更深層次地理解楞次定律.