自制楞次定律演示仪

阮长久，苏 静

（金华第一中学，浙江 金华321015）

1 引 言

在各种版本的中学物理教材中，大多是采用磁铁插入和拔出线圈的实验方法，通过观察感应电流的方向去判断感应电流的磁场方向，从而分析得出楞次定律，实验过程比较短暂且没有对比性，学生难以发现新的实验现象，其逻辑关系使学生在认识上感到相当困难．

笔者利用电磁感应现象设计楞次定律实验，实验现象发生过程较长，实验过程中2块磁铁下降速度对比效果较好，在引起学生兴趣的同时，再进一步给出改进的实验方案，在玻璃管口加上1个带有开口的铜环，再通过朗威的电流传感器接入电脑，实验现象直观、明显、较容易得出楞次定律．经教学实践证明，该实验设计使楞次定律的教学层次变得简单明了、逻辑性强，很符合学生的认知规律，有利于学生对楞次定律的理解和掌握．

2 实验原理

用钕铁硼圆柱形磁铁靠近或离开装好锡箔纸筒的透明玻璃管时，锡箔纸筒中感应电流激发的磁场由于阻碍引起感应电流的磁通量的变化，迫使锡箔纸筒阻碍磁铁的运动，与另一个相同的磁铁经过没有装锡箔纸筒的透明玻璃管时，形成鲜明的对比，钕铁硼超强磁铁靠近或离开装好锡箔纸筒的透明玻璃管时形成电磁感应的“相见时难别亦难”的精彩过程，再利用电脑I－t图像中电流在横坐标的上方还是下方，直接可判断感应电流的磁场和原磁场方向的关系，总结出楞次定律．

3 实验材料及装置的制作

4 cm×2 cm钕铁硼圆柱形磁铁2块，长度为1 m、外径为3 cm、内径为2 cm且两端开口的玻璃管2根，长度为35 cm锡箔纸筒2个，钢锯1把，开口的铜环1个，朗威电流传感器1套，高为16 cm、直径为6 cm废弃的塑料杯2只，海绵1块，胶水1瓶，自制木架1个，透明胶带1卷．

用钢锯把锡箔纸筒分割成10 cm的相等长度，再把锡箔纸筒套入选定的1根玻璃管中，该玻璃管上套有5个切割好的锡箔纸筒，让锡箔纸筒均匀地分布在玻璃管上，再把已经装好锡箔纸筒的玻璃管用透明胶带绕在自制好的木架上，另一根没有装锡箔纸筒的玻璃管直接用透明胶带绕在同一个木架的另一边．用钢锯把废弃的2个塑料杯锯成11 cm高，再用胶水使其固定在正对玻璃管口的木架底端的木块上，为了防止钕铁硼圆柱形磁铁落入塑料杯后的反弹，可在塑料杯底垫上海绵，实验装置如图1所示．

利用图1所示装置演示“相见时难别亦难”现象后，在另一根没有装上锡箔纸筒的玻璃管管口套上铜环，该铜环通过朗威电流传感器接电脑，使软件处于I－t图像状态，软件窗口如图2所示．通过感应电流的方向可以判断感应电流的磁场方向，从而可以顺利地得出楞次定律．

图1 楞次定律演示仪装置图

图2 朗威软件显示磁铁穿过铜环的电流、时间曲线

4 实验方法

该演示楞次定律的实验，可以帮助学生了解落入装有锡箔纸筒的玻璃中的管磁铁的速度明显比落入没有装锡箔纸筒的空玻璃管中的磁铁下落慢；把磁铁的N极和S极互换，重新进行实验，发现同样的实验现象，说明磁铁落入装有锡箔纸筒的玻璃管中受到力的作用，也就是说锡箔纸筒对磁铁会产生力的作用，从而导致磁铁的下降速度明显减慢．

在玻璃管口附近套上开口的铜环，把磁铁（N或S极）从玻璃管的另一端释放，在磁铁由远渐渐靠近铜环的过程中，通过电脑上的I－t图像可以发现，铜环中产生了感应电流，感应电流使铜环与磁铁相对端形成的磁极，与磁铁的磁极同名，说明感应电流的磁场是“反抗”原磁通量的增加．在磁铁（N或S极）穿出铜环的过程中（也就是磁铁远离铜环的过程），通过电脑上的I－t图像可以发现，铜环中产生了感应电流，感应电流使铜环与磁铁相对端形成的磁极，与磁铁的磁极异名，说明感应电流的磁场是“补偿”原磁通量的减少．感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化．分析、综合上述实验现象，可以得出楞次定律．

楞次定律的应用——验证感应电流的方向．先利用楞次定律和安培定则理论分析、判断：当磁铁（N或S极）快速靠近或远离套在玻璃管上的铜环时，根据电脑的I－t图像中电流在横坐标的上方还是下方，判断出铜环中感应电流的方向．然后使磁铁（N或S极）快速靠近或远离套在玻璃管上的铜环时，通过电脑上的I－t图像中电流在横坐标的上方还是下方，可验证理论判断的感应电流方向是正确的．

［1］ 朱向阳，施朝群．“楞次定律”教学探论与实验设计［J］．物理实验，2010，30（6）：20－22．

［2］ 庄明伟，余志文，梁爽，等．双管对比式楞次定律演示装置［J］．物理实验，2010，30（6）：33－24．