安培定則動態演示儀的設計與應用

浙江省瑞安市鮑田中學(325200) 張建同

浙教版8年級下冊科學教材“電與磁”單元教學中需要判定通電螺線管磁場方向與電流方向的關系。兩者關系的判定用的是右手螺旋法則,即安培定則。判定方法是伸出右手,四指朝向螺線管中的電流方向,則大拇指指向為磁場的N極方向。這種判定方法雖然操作簡單,但如果教師不能借助一定的實物或儀器進行演示,學生理解起來仍然比較困難,很容易將電流流經螺線管的方向弄錯,這樣也就會將磁場方向弄錯。由此筆者針對課堂中學生出現的各種實際情況進行分析,設計并制作出了一種能動態演示安培定則的創新教學用具。該教具結構簡單、運用方便、演示清晰。

1 安培定則動態演示儀的結構

1.1 外觀結構

外觀是一段纏繞導線的螺線管,實際上是在均勻纏繞的導線下方預埋了流水燈珠,兩端蒙磨砂皮,兩端里面也預埋了發光二極管(如圖1)。裸露在外的2個口,1個是內置電源的充電口,1個是三檔撥動開關(如圖2)。

圖1 兩端預埋發光二極管

圖2 外觀

1.2 核心結構

核心結構之一:在導線下方預埋的是2根分別按順時針和逆時針方向纏繞的流水燈帶。接通內置電源,燈帶的燈珠輪流發光,像流水一樣流動。該儀器能動態演示類比電流的流動(如圖3順時針流動)。撥動開關,切換電源正負極,改變電流方向從而改變燈帶燈珠發光的流水方向(如圖4逆時針流動)。

圖3 電流順時針流動效果

圖4 電流逆時針流動效果

核心結構之二:在螺線管的兩端分別預置了兩塊布滿發光二極管的電路板(如圖5)。該儀器除了能動態演示電流方向之外還可以演示出通電螺線管的磁場方向,即磁場的N極和S極。在不通電的情況下,所有二極管不發光均為白色。接通電源,二極管分別發紅光與綠光。在磁場的北極顯示出紅色的“N”字母(如圖6),在磁場的南極顯示出綠色的字母“S”(如圖7)。

圖5 發光二極管的電路板

圖6 二極管發紅光

圖7 二極管發綠光

2 安培定則動態演示儀操作與演示

正常情況下,撥動開關使其處在中間位置,也就是關閉狀態。橫向放置螺線管,向左側撥動開關,流水燈帶順時針流動發光,顯示電流方向為左視順時針方向流經螺線管。此時螺線管的左端為磁場的北極,發光二極管發紅光并顯示出紅色的“N”字母(如圖8),螺線管的右端為磁場的南極,發光二極管發綠光并顯示出綠色的字母“S”(如圖9)。

圖8 磁場的北極顯示“N”

圖9 磁場的南極顯示“S”

切換開關,將撥動開關撥向右側,改變電流方向,此時流水燈帶逆時針流動發光,顯示電流方向為左視逆時針方向流經螺線管。此時兩端的字母由原來紅色的“N”更替為綠色的“S”,原來綠色的“S”更替為紅色的“N”。這意味著隨著電流方向的改變磁場方也隨之改變。不斷切換撥動開關,通過螺線管的電流方向輪流改變,兩端字母也輪流更替。

配合該動態演示儀,伸出右手,四指指向電流方向,大拇指的指向就是磁場N極方向。與儀器顯示的字母“N”一致(如圖10)。

圖10 右手螺旋定則演示

3 安培定則動態演示儀在實際教學中的應用效果

學生在沒有借助儀器,只憑空想像或只借助示意圖用右手定則的時候,經常將電流方向判斷錯。因為有些學生很難抽象出螺線管的纏繞方式與電流的進出關系。而借助該儀器之后,導線的纏繞方式及電流的流入流出路徑非常清晰明了。

該動態演示儀結構簡單,操作簡便,容易攜帶,并且不需要外接電源,開啟內置電源便可以演示。在內置鋰電池電壓不足時可以利用手機充電器對接充電口予以充電。充電時內置指示燈發紅光,充滿電變綠光,且內置充電保護,安全便捷。

4 作品創新點

(1)將通電螺線管中不可見的電流用燈帶模擬顯示出來,并利用控制器電路使燈珠輪流發光,起到模擬電流流動的效果。螺線管的繞線方式及電流方向“顯而易見”。

(2)利用1個三檔撥動開關一鍵控制電流的通斷、電流方向的改變以及通電螺線管磁場N極、實現S極光源的輪流轉換。

(3)內置充電電源,免去外接電線的麻煩。演示清晰明了,學生易懂易學。