互感现象方案设计与实验

黄春如 熊小兰

(樟树第三中学 江西 樟树 331200)

为使学生在知识的学习中更好地经历过程、体会方法，使之对物理概念更好地理解,以利于对知识的掌握.笔者从身边的废旧器件中寻找可用之材，针对互感现象的特点及其实际应用，改进和设计了如下的实验方案.

1 实验器材

音乐手机1部，自制线圈2个，收音机中的条形磁棒1根，废旧彩电行输出磁芯1副，带功放的电脑音响1台，红、绿颜色LED各1枚，干电池2节，滑动变阻器1只，电流表1只，开关,导线，螺丝刀,尖嘴钳,粉笔,牙刷等.

2 互感现象在教材中的教学设计

图1 法拉第用过的线圈

课本中互感的概念是通过法拉第线圈的实验结论建立的,在法拉第的实验中，两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象叫做互感[1].之后推理得出互感不仅仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间，并列举了互感在电工技术(变压器)和电子技术(如图1：收音机中的“磁性天线”)上的应用实例.

互感概念的前一部分可以说是以法拉第电磁感应的实验为基础得出的，但后一部分结论对学生只能是理论上的一个推导，并没有对应的实验来构建此概念.对互感在电工、电子技术上的应用实例，学生更是一头雾水.为使学生经历实验探究的过程，我们依据法拉第实验线圈的原理，设计了互感现象的一些简单实验方案，使学生在实验的过程中不仅经历了过程与方法，同时又很好地实现了知识与技能、情感态度与价值观新课程三维目标的要求.

2.1 设计方案1：

“法拉第实验线圈+音乐手机+功放音响”.用如图2所示的实验室中的法拉第实验线圈来探究互感现象，直观形象对学生不仅有视觉的冲击，更有听觉的享受，效果很好.

图2 实验室中的法拉第线圈探究互感现象装置

2.2 设计方案2：

“自制实验线圈+音乐手机+功放音响”，辅以“收音机磁棒、彩电行磁芯”.如图3所示，线圈1，线圈2用0.3 ～0.5 mm漆包线(可从废旧节能灯中的高频变压器中取用)在直径2 cm高1.5 cmPVC套管上绕150匝左右.线圈1与音乐手机相连，线圈2与功放音响相连，将线圈1和线圈2用棉线悬于水平状态，并使其之间的间距可调.手机设置为音乐播放状态，打开功放音响并将音量旋纽调至最大.若在课堂进行演示，可请两名学生协助教师操作，其中一学生将线圈1与线圈2逐渐靠近，另一学生注意听音响中的乐音变化，并将结果报告全班同学.

实验现象表明，线圈2与线圈1并没有导线相连，但当线圈1中通入音乐手机中变化的音频信号时，在线圈2中产生了感应电动势，形成感应电流，推动功放音响发声.学生亲手实验并观察现象，通过现象进行总结，很容易归纳出互感现象的定义.

在给出互感现象的定义之后，依据图3进一步进行实验，由此给出互感在电子技术和电工技术中应用的直观形象.

图3 收音机“磁性天线”模型

2.2.1 互感现象在电子技术中的应用：收音机“磁性天线”模型

在图3中，当线圈1，线圈2靠近的过程中，可听到功放音响中的声音逐步增强.当线圈拉远时，音量减弱，音量减弱到只有前排同学能够听到时，请一位同学在线圈中插入粉笔、牙刷等非铁质物件，提醒学生仔细听功放音响前后音量的变化，发现功放信号的音量无变化.再请一位同学将收音机中的磁棒水平插入线圈之中.这一过程中，功放乐音信号音量明显增大，此时，请学生仔细观察图4(a)中的线圈1，线圈2与磁棒实物结构，它非常直观地充当了课本介绍的图4.6-1，收音机里的“磁性天线”.利用该装置可使学生很好地理解，通过互感现象把信号从一个线圈传送到另一个线圈，并使学生认识互感的强弱与线圈中有无铁芯有关.

图4 “变压器”模型

2.2.2 互感现象在电工技术中的应用：变压器模型

把线圈1，线圈2从棉线上解下，将其套在彩电行输出磁芯上.先不让磁芯回路封闭，将手机设置为音乐播放状态，可听到功放音响中有较大的音乐声，之后使磁芯回路处于封闭状态，此时全班同学可听到“震耳欲聋”的音乐声，课堂气氛推向高潮.图4(b)中的线圈1，线圈2与磁芯组成了一变压器.该模型能直观地告诉学生，两线圈并没有导线相连，当一个线圈中输入音乐信号时，在另一个线圈中能输出音乐信号，并且输入、输出信号不失真(频率不变).

2.3 设计方案3：

如图5所示，把线圈1与电源、开关、电流表、滑动变阻器相连，构成初级回路，线圈2与反向并联的LED1，LED2连接，构成次级回路.

图5

实验步骤：调整可变电阻器的阻值，使开关S闭合时，ab回路中的电流在0.3 A左右.通断开关S，电流表指针摇摆，与线圈cd反向并接的LED1和LED2交替闪亮.闭合S不动，电流表有示数，但LED皆不亮.此时，用手提磁芯上半部分，磁芯在磁化后的磁力作用下可把下半部分提起，断开开关S，磁芯失磁，下半部分在重力作用下脱落.

通过以上实验过程，可使学生清楚地总结出，线圈cd与线圈ab并没有导线相连，当ab中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在cd线圈中产生感应电动势，使连接cd线圈的LED闪亮.闭合开关S，电流表有示数但不变化，线圈中有磁场，磁芯被磁化，但穿过线圈中的磁通量不变化，因而线圈cd中没有感应电动势产生，LED皆不亮.

此实验课堂教学后的交流中，学生说，通、断电引起的电流变化产生变化的磁场，导致产生出互感电动势，这样，总结出的互感现象结论，由于亲身的体验，在我们头脑中打下了烙印.

图5中的磁芯和线圈也是一个电能传输型的变压器模型，应用上述模型能直观清楚地使学生认识到变压器是利用互感现象制成的，它可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，工作的条件是线圈中必须通以变化的电流.由图4的变压器模型和实物彩电行输出，可使学生对课本提到的互感在电工技术和电子技术中广泛的应用有更具体的认识.

2.4 设计方案4：

用长约30 cm细导线，两端与“1.5 V，0.3 A”小灯泡相连接，使回路接近圆形置于电磁炉台面上.

实验步骤：如图6,将电磁炉接入220 V交流电，接通开关给其通电.用竹筷将圆形导线从电磁炉外缘逐步推至中心位置，可观察到小灯泡从无光逐渐变亮.用竹筷挟住小灯泡，使灯泡线圈平面逐渐远离电磁炉台面，小灯泡由亮逐渐变为无光.

图6 电磁炉上的一圈导线点视小灯泡

结论：当电磁炉线圈盘电路中通以变化的交变电流时，靠近它的小灯泡电路产生感应电动势.此时得出推论即互感发生于任何两个相互靠近电路之间，可使学生对概念的学习由抽象变具体，并对课本介绍的电力工程中和电子电路中互感的相互影响有更深刻地认识.

通过上述探究活动，可使学生更加全面、深刻地理解互感的定义及其在实际中的应用.

以上实验器材来源于生活，简单易得，便于学生动手操作，用于课堂教学或学生课外小组合作进行探究性学习，通过实验很容易达成课程教学目标.

参考文献

1 普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-2(第2版) .北京:人民教育出版社,2006.1 ～25

附：实验教学照片

用手机、功放、线圈探究互感现象：用手机连接一个线圈，另一线圈与功放相连.两线圈置于同一水平细绳上.手机播放音乐，逐渐使两线圈靠拢，功放中能听到逐步增大的音乐声.

用手机、功放、线圈探究互感现象：收音机中的“磁性天线”实物模型.在互感传声的同时，将磁棒插入线圈中，可发现音量明显加大.收音机中的“磁性天线”就是通过互感的原理，使电台的信号由一个线圈传递到另一个线圈.

用手机、功放、线圈探究互感现象： “变压器”实物模型.在互感传声的同时，将两个线圈套在彩电行输出变压器铁氧体磁芯上，可发现音量显著加大.工农业生产中的“变压器”就是通过互感的原理，使能量由一个线圈传递到另一个线圈.

利用电磁灶探究互感现象及涡流的产生：用一圈漆包线连接1.5 V的小灯泡，使电磁灶工作，可见小灯泡发光.取下小灯泡，让漆包线成一闭合圆环，在圆环四周涂上松香，之后置于电磁灶上，当接通电源后，可见圆环上的松香被加热后冒烟，这就是涡电流产生的焦耳热.