磁通量的变化率演示仪

何艳红 黄春如

（1.江西省樟树中学，江西樟树 331200；2.江西省樟树第三中学，江西樟树 331200）

磁通量的变化率演示仪

何艳红1黄春如2

（1.江西省樟树中学，江西樟树 331200；2.江西省樟树第三中学，江西樟树 331200）

随着科技的发展，新材料、新技术为教具制作提供了更广阔的空间，一些道不明、难讲清的概念，通过实验教学的辅助，可使抽象的概念具体化.磁通量的变化率演示仪就是这样的一个制作案例，学生通过具体的演示实验，不仅能很好地理解磁通量、磁通量的变化和磁通量的变化率之间的关系，还能启迪学生探究问题的思路和方法，培养其观察现象、提出问题、分析问题、形成结论的能力.师生共同设计实验方案，一起边制作边实验探究，既培养和锻炼了学生的实验动手能力，更能进一步提升学生的科学素养.

磁通量；变化；变化率；演示仪

电磁感应现象的发现是电磁学发展史上又一个重要成就，它进一步揭示了自然界电现象和磁现象之间的联系，促进了电磁理论的发展，为麦克斯韦电磁场理论的建立奠定了坚实的基础，使现代工业、电工和电子技术得以建立和发展，对人类社会有着划时代的贡献.

法拉第电磁感应定律是这一划时代贡献中的重要规律，它揭示了感应电动势的产生依赖于磁通量的变化，而其大小取决于穿过电路的磁通量的变化率.在实际的教学中，我们发现，学生对感应电动势的产生是由磁通量的变化引起的容易接受，而对感应电动势的大小与磁通量的变化率的关系却难以理解.

为了在教学中较好的克服上述难点，我们制作了“磁通量的变化率演示仪”辅助教学，收到了很好的教学效果，现介绍如下.

1 实验原理示意图

图1

图1 为演示仪的实验原理示意图.线圈通过引线与反向并接的红、蓝颜色的LED相连.磁铁正对线圈从位置A运动到位置C（或从位置B运动到位置C），必然引起线圈中的磁通量发生变化，线圈中将产生感应电流、感应电动势.由于红色LED发光所需工作电压不小于1.8V，蓝色LED发光所需工作电压不小于2.0V，因此，当线圈中产生的感应电动势达到或超过相应数值时，LED闪亮.这样，我们就可借助LED是否闪亮来判断线圈中的感应电动势的量值，进而达到研究磁通量的变化量的大小，磁通量的变化率的大小与感应电动势的关系的目的，即怎样的操作将引起LED闪亮.

2 实验器材及装配图

运动时能产生光亮的儿童玩具滑板上的滑轮1个（取其中的线圈）.将滑轮外壳切开，小心取出其中的线圈；外径为2cm的圆形钕铁硼强磁铁3小块（叠加组合成一强磁体）；内径2cm的PVC塑料管一小段（将钕铁硼强磁铁置于其中，便于提拿）；红、蓝LED发光二极管2枚，将其并接后焊接在从滑轮中取出的线圈两端.实物如图2中的A、B，装配图如图2中的C所示.

图2

3 实验过程及分析

演示者站立，左手拿线圈置于与腰部平齐部位，并使线圈平面水平.右手拿镶嵌有钕铁硼强磁铁的PVC管.依据图1实验原理示意图的方式进行如下操作.

（1）使磁铁从位置A缓慢移到位置C，AC间的间距约15～20cm，观察LED有无亮光.

（2）使磁铁从位置B快速移到位置C，BC间的间距约8～10cm，观察LED有无亮光.

（3）使磁铁从位置C缓慢移到位置A，观察LED有无亮光.

（4）使磁铁从位置C快速移到位置B，观察LED有无亮光.

结论1：磁铁从位置A缓慢移到位置C时，LED无亮光.磁铁从位置B快速移到位置C时，红色LED闪亮.

结论2：磁铁从位置C缓慢移到位置A时，LED无亮光.磁铁从位置C快速移到位置B时，蓝色LED闪亮.

图3

结论及原因分析：磁铁从位置A缓慢移到位置C，或从位置C缓慢移到位置A，引起线圈中的磁通量的变化量，比较磁铁快速从位置B移到位置C，或从位置C移到位置B要更大，但线圈中产生的感应电动势却小于引起LED闪亮的临界值.磁铁从位置B快速移到位置C，或从位置C快速移到位置B，引起线圈中的磁通量的变化量，比较磁铁缓慢从位置A移到位置C，或从位置C移到位置A要更小，但线圈中产生的感应电动势反而大于引起LED闪亮的临界值，导致红、蓝LED闪亮.

法拉第电磁感应定律告诉我们，闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.可见，电路中感应电动势的大小，并不取决于磁通量变化量的大小，而是决定于磁通量的变化率.要想从直观上反应出磁通量的变化率与感应电动势间的关系，可采用控制变量的研究方法：对同一个线圈而言，当磁铁从某一位置A变化到某一位置C时，引起线圈中磁通量的变化量是一定的.这样，磁通量的变化率就由对应的变化时间来决定.因而磁通量的变化率的大小，取决于线圈中磁通量变化所需的时间（磁通量的变化量一定），取决于磁铁对应运动时间的多少，即磁铁运动的快慢决定了感应电动势的大小，从而决定了LED是否闪亮.这样，二极管是否闪亮就和磁通量的变化率有机地结合在了一起.

磁铁从A运动到C，引起线圈中的磁通量的变化量大，但过程时间长，磁通量的变化率小，产生的感应电动势小，LED不亮；磁铁从B运动到C，引起线圈中的磁通量的变化量虽然小，但过程时间短，磁通量的变化率反而更大，产生的感应电动势更大，导致LED闪亮.

应用该演示实验，在帮助学生强化对感应电动势与磁通量的变化率关系的理解的同时，还可以：（1）应用LED的单向导电性，进一步验证楞次定律的内容.若磁铁运动引起线圈中的磁通量增强（磁铁靠近线圈）、导致磁通量的变化率达到一定量值时，引起红色LED闪亮，则磁铁运动引起线圈中磁通量减小（磁铁远离线圈）、导致磁通量的变化率超过蓝色LED闪亮的临界值时，必引起蓝色LED闪亮.（2）LED闪亮，必有电源给其供电，这个电源必是与LED相连的线圈，可帮助学生认识和理解广义的电源，思考这一电源中哪一种作用扮演了非静电力的角色，为下一节感生电场的学习奠定基础.

该演示仪操作简便，LED是否闪亮可更好地帮助学生判断线圈中产生的感应电动势的大小，有利于学生更好地区分磁通量、磁通量的变化量与磁通量的变化率的关系，从而达到更好地理解法拉第电磁感应定律的内容.

1 普通高中课程标准实验教科书.物理选修3－2（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2010：1－20.

2 普通高中课程标准实验教科书.物理选修3－2教师教学用书（第4版）人教版［M］.北京：人民教育出版社，2010：14－30.

2017－02－12）

本文为中国教育学会物理教学专业委员会全国物理教育科研重点立项课题“低成本物理实验研究及教具制作”的研究成果之一（课题编号WLJY－2013ZD－013）.