基于DISLab的楞次定律创新实验设计

杨青华 张振 孔庆

摘 要：利用DISLab对楞次定律演示实验进行创新，由线圈的“来拒去留”现象直接得出感应电流的磁场方向，进而总结出楞次定律的内容。

关键词：DISLab；微电流传感器；楞次定律；创新实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）6-0054-2

DISLab的全称是数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory），是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。DISLab将实验数据通过传感器采集实时动态地显示在电脑上，并利用软件进行数据分析。DISLab配备有力、磁、光电、位移、温度、电压、电流、微电流等多种传感器。基于DISLab的优越性，研究工作者已在物理教学中做了大量的探索研究[1-3]。本文利用DISLab中的微电流传感器设计楞次定律实验。

“楞次定律”是高中物理电磁学部分的重要内容，也是高中教学的难点。人教版高中物理选修3-2《楞次定律》一节，从条形磁铁相对螺线管运动的实验出发，引导学生将“感应电流的磁场”作为“中介”，通过填表比较，归纳出楞次定律的表述：“感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”[3]。这种传统的实验教学，涉及原磁场的方向、感应电流方向、线圈绕向、感应电流的磁场方向、磁场的变化方向等诸多要素。对此，笔者认为，该实验现象多，过程复杂，其逻辑关系使学生在认识上感到相当困惑。

本文利用“来拒去留”现象设计楞次定律实验，并加入微电流传感器这一仪器，实验现象直接反应“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”，从而归纳总结出楞次定律。

1 实验设计思想

线圈与微电流传感器串联，用钕铁硼超强磁铁靠近或离开可灵活移动的线圈时，线圈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，迫使线圈跟随磁铁同向运动，形成“来拒去留”的现象，根据磁极间相互作用的规律，直接判断感应电流的磁场方向；而微电流传感器在电脑屏幕上可以清楚地显示感应电流的大小和方向，从而很直观地判断出感应电流的磁场方向与原磁场方向之间的关系，分析出感应电流的方向总是阻碍引起感应电流磁通量的变化。

2 实验材料

微电流传感器1只，数据线1根，电脑1台，7 cm*5 cm*1.2 cm钕铁硼超强磁铁1块，塑料泡沫1块，直径0.5 mm的漆包线，中性笔芯等。

3 实验设计及结果分析

连接电路：将微电流传感器与线圈串联，接入电脑。同时，把载有线圈的泡沫块放在中性笔芯上，以减小摩擦阻力，实验装置图如图1所示。

实验：打开电脑中的微电流传感器实验采集模板，点击开始，同时把磁铁由远及近快速推向线圈（不与线圈接触），可以看到线圈跟随磁铁同向运动。已知靠近线圈一端的磁铁极性是N极，而线圈向远离磁铁的方向运动，线圈与磁铁相互排斥，说明线圈中感应电流产生了磁场，并且线圈的右侧是N极。

我们接着分析感应电流磁场的作用，当磁铁靠近线圈时，线圈中的磁通量增加，而感应电流的磁场又与近端的磁铁的磁场方向相反，故感应电流的磁场是阻碍原磁通量的增加。

我们再来分析线圈中产生的感应电流，通过微电流传感器在电脑屏幕上的显示，可以看到，线圈中产生了感应电流。感应电流的磁场方向水平向右，根据右手螺旋定则判断出感应电流的方向是顺时针，观察微电流传感器在电脑屏幕上的显示，如图2所示，电流方向在y坐标轴下方。因此，利用微电流传感器可以验证感应电流的方向。

再次，打开微电流传感器实验采集模板，当磁铁快速地远离线圈时，可以看到，线圈跟随磁铁一起运动，而靠近线圈一端的磁铁极性是N极，故线圈右侧是S极，线圈磁场的方向是水平向左。

我们接着分析感应电流磁场的作用，当磁铁远离线圈时，线圈中的磁通量减少，而感应电流的磁场与近端的磁铁的磁场方向都是水平向左，故感应电流的磁场是阻碍原磁通量的减少。

实验现象表明线圈中产生了感应电流，通过微电流传感器在电脑屏幕上的显示，可以看到，线圈中产生了感应电流。由于感应电流的磁场水平向左，根据右手螺旋定则判断出感应电流的方向是逆时针，故电流方向在y坐标轴上方，如图3 所示，同样可以验证感应电流的方向是正确的。

分析、综合上述实验现象，可得出楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

4 实验的创新点

1）与传统实验相比，该实验装置简单，线圈的运动这一实验现象既直观又具有很强的可视性，通过线圈的“来拒去留”现象，就直接判断出感应电流的磁场方向，进而总结出“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”。

2）传统实验都是利用磁铁插入和拔出线圈的实验方法，这种实验设计借助“感应电流的磁场”这一中介，让学生通过观察感应电流的方向和线圈中磁通量的变化情况去判断感应磁场的方向，而又总结出由感应电流的磁场方向去判断感应电流方向的规律，思维上要间接地转换，才能确定感应电流的方向。

3）本实验利用微电流传感器，能方便地采集到微小感应电流，在电脑屏幕上显示感应电流的大小和方向，便于数据分析，这是一般电磁式仪表无法达到的。

5 总 结

利用DISLab对楞次定律演示实验进行探究，能够直观清晰地看出线圈中感应电流的大小和方向。通过线圈的运动情况，直接判断出线圈中感应磁场的方向，使得教学过程简单直观。

参考文献：

[1]王柏庐.走进中学IT教学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]谭红，陈晓莉.DISLab在中学物理探究式教学中的应用[J].物理教学探讨，2008，（13）：12.

[3]金文锐，陈彩荣，包国速，等.基于DISLab的电容器充放电现象探究[J].物理教学探讨，2014，（7）：39.

（栏目编辑 王柏庐）