“电磁感应”中三个自制实验的妙用

2012-05-10曹会张飞

物理教师 2012年6期

关键词：电流计磁通量三角板

曹会张飞

(江苏省外国语学校,江苏苏州 215104)

“探究感应电流产生的条件”、“楞次定律”、“法拉第电磁感应定律”是“电磁感应”的核心内容.这三节均是以实验为基础而总结出规律的教学,所以实验是教学成功的关键因素.笔者根据教学需要“量身定制”了3套实验装置,谨以此文与大家分享.

1 “探究感应电流产生的条件”演示实验

1.1 原有实验不足

教材以“切割磁感线”的抽象化模型来说明面积的改变也可以产生感应电流.笔者认为此实验原有“切割”结论的定势思维已经形成,不利于说明面积改变的这一因素.本节课课本给出的实验装置均无法改变闭合回路与磁场之间的角度,更无法进一步全面综合探究分析.

1.2 所需器材及装置(见图1)

图1

纯净水桶(桶直径约27cm)2只、漆包线(直径0.71mm)约700m、装修用塑料天花板50cm(可用木板代替)、滑动变阻器(50Ω)、电动自行车充电器(36V,提供较高电压直流电,增强匀强磁感应强度)、两片细木板、螺丝钉8只、宽透明胶带、软质线圈、灵敏电流计、电键、导线若干.

1.3 制作要点

用钢锯把两只桶从适当处锯开获得如图1所示两段.用锉刀把锯口打磨平整以免实验操作时伤手,再利用两段桶的凹槽部分(宽约8.5cm)按照同一方向缠绕漆包线,每一只桶分别缠绕4层(约400匝).为了保护漆层,每层漆包线外用宽透明胶带缠绕一层.把绕制好的两只大螺线管导线串联起来,并用两条细木板通过螺丝钉连接固定如图1所示.两段桶间留一定的距离(约15cm)以保证一只手方便操作为宜,塑料天花板铺放在其间充当线圈运动的操作台.漆包线线头均用细沙纸除去漆层.用带鳄鱼夹导线把电动自行车充电器正负极与图1中两接线头相连.

1.4 改进后实验优点

自制的两只通电大螺线管间提供了一个较大的匀强磁场区域,从而给操作者搭建了一个灵活探究的“舞台”,使感应电流产生条件的相关因素能够通过此磁场区域全面进行探究.

1.5 实验操作及应用

(1)把电动自行车充电器、电键、滑动变阻器、自制大螺线管连接成回路,软质线圈与灵敏电流计组成另一回路.

(2)接通电源,闭合电键,仅把软质线圈沿着操作台平移进磁场区域过程中,发现有感应电流产生,学生认为此现象可以用“切割”理论解释.线圈继续进入匀强磁场区域移动,没有感应电流产生,切割理论解释碰到困难,发生认知冲突！激发学生猜想:感应电流的产生与磁场变化有关.然后再断开、闭合电键或者改变滑动变阻器阻值来验证猜想.

(3)闭合电键,保持自制大螺线管中电流不变,则匀强磁场磁感应强度不变.只改变软质线圈面积,发现也会有感应电流,得到结论:闭合线圈的面积变化也可以引起感应电流.进而转动线圈实现线圈平面与磁场之间角度的改变,也有感应电流产生.

总结以上结论发现:以上3个因素均是导致磁通量发生变化的诱因,进而得出最终结论.

2 “楞次定律”中的“来拒去留”实验

2.1 原有实验不足

图2

“楞次定律”教材课后习题第6题的小实验如图2所示.此实验“来拒去留”现象较好地诠释了楞次定律的正确性,但笔者发现若采用磁性较弱的磁铁实验时,因阻力作用及加速度较小等因素不会出现明显的“来拒去留”现象,轻微的转动现象很容易被学生误解为手拿磁铁运动引起空气流动导致.若采用强磁铁(钕磁铁)进行实验时,则会意外发现不闭合铝环也会出现“来拒去留”的现象,主要原因是实验室成品仪器铝环厚度较大,容易产生涡流,从而产生上述现象.

2.2 所需器材及装置(见图3)

图3

铝质“易拉罐”2只,轻质吸管,透明胶带,铅笔(或圆珠笔),强磁铁(钕磁铁).

2.3 制作要点

用剪刀把一只“易拉罐”裁剪出宽约1cm两截铝环,用细沙纸把边沿打磨平整,用胶带把两只铝环固定在吸管两端,其中一只铝环剪断成不闭合铝环.用电烙铁尖端轻轻的在吸管中点位置点出一个稍比圆珠笔头大点的孔(注意不要把小孔对着的吸管壁弄破),把铅笔(或圆珠笔)笔尖插入小孔倒立插入另一只“易拉罐”中,并调整笔杆保持竖直稳定.

2.4 改进后实验优点

此装置取材方便,制作简单,可以让学生课前每人制作一套器材进行学生实验,铅笔(圆珠笔)笔尖与吸管壁间摩擦较小,利用“易拉罐”所做的铝环及吸管质量较轻,产生加速度较大.铝环较薄减弱涡流发生而避免不闭合铝环出现“来拒去留”的现象.

2.5 实验操作及应用

(1)磁铁靠近和远离不闭合铝环,没有任何现象产生,说明无感应电流产生,磁铁与铝环间无相互作用.

(2)磁铁靠近和远离闭合铝环,有“来拒去留”现象,是什么原因造成的呢？激发了学生讨论:闭合铝环中产生了感应电流,感应电流产生了感应磁场,感应磁场与原磁场间产生了力的作用.当靠近时相互排斥,则说明感应磁场与原磁场方向相反,阻碍了铝环中磁通量的增加;当远离时相互吸引,则说明感应磁场与原磁场方向相同,阻碍了铝环中磁通量的减少,进一步总结出感应磁场与原磁场间“增反减同”的本质.

3 “法拉第电磁感应定律”演示实验

3.1 原有实验不足

“法拉第电磁感应定律”课堂教学中,需要演示感应电动势与磁通量变化量、感应电动势与磁通量变化时间之间的定性关系.笔者用教材中“楞次定律”的实验重做演示实验时发现:无法准确控制磁通量变化量一定和变化时间一定,教师随意性的实验演示缺乏规范性,在此基础上的推理缺乏严谨性.

3.2 所需器材及装置(见图4)

图4

可拆卸变压器线圈1只,教师用木制三角板,开口有底的透明白酒塑料包装盒(以下简称“包装盒”),条形磁铁,宽透明胶带,灵敏电流计,导线2根.

3.3 制作要点

用宽透明胶带把线圈固定在三角板的直角端点处,用导线把灵敏电流计与线圈连接好,把三角板的另一端搭在铁架台支架上即可.

3.4 改进后实验优点

此实验具有取材方便、操作简单、现象明显、课堂耗时短等特点.利用装置可以控制磁通量定量改变,改变三角板与桌面间角度,就可以达到改变磁铁运动时间的目的,规避了原来手拿磁铁直接插入螺线管随意性的缺点.

3.5 实验操作及应用

(1)用胶带把包装盒固定在三角板的长直角边上,条形磁铁放在有底的包装盒内,控制磁铁每次在盒内下滑的起点不变(保证磁通量变化一定),改变三角板与桌面之间的角度(保证下滑时间改变),观察电流计偏转的最大角度.实验发现,三角板与桌面之间角度越大,磁铁下滑越快,感应电流越大.

(2)三角板与桌面之间的角度固定不变(下滑时间固定,磁铁与线圈间的作用力变化的影响可忽略不计),改变包装盒相对线圈的位置,控制磁铁每次在盒内下滑的起点不变,从而改变磁通量变化的大小(如图5,选取条形磁铁磁感线轴向分布的不同阶段的相同距离,线圈中磁通量变化不同).观察电流计偏转的最大角度,发现包装盒离线圈越近时,磁铁运动相同位移情况下,线圈平面内磁通量变化越大,感应电流越大.