用水煮亮LED灯

毕 亮

(绿春县第一中学，云南 绿春 662599)

人教版《物理》(选修3-2)“电磁感应”一章的“涡流”内容，教材编者没有设计、安排相关实验[1]. 为了让学生容易学习和接受涡流这一知识，教材搭配了几幅精美插图，对涡流在生产生活中的应用做了展示. 尽管如此，由于涡流概念较为抽象，学生的认知难度大. 在实际教学过程中，教师为了便于学生建构涡流概念，通常会使用电磁炉演示涡流实验. 但现有实验成本过高，实验过于繁杂，过于乏味.

电磁炉具有空载、负荷异常等自动保护功能，在使用电磁炉做涡流实验时必须使用铁质锅具. 对于线圈的选择，许多人选用铁丝、漆包线及电线等，既不经济，又脱离了涡流的本质——因为涡流是在导体内部产生像水中旋涡一样的电流. 为了使实验现象更明显，有人选用220 V的灯泡，实验存在一定的潜在危险.

为了安全起见，本文设计的实验选用发光二极管即LED灯. 发光二极管只能通过较小的电流，不能承受大电流，因此可以选用废弃的铝质易拉罐代替线圈，既可以节约实验成本，也能更好地体现涡电流的本质. 为了提高趣味性，可以将实验设备放入水中. 锅具底部不要放绝缘材料原因是：易拉罐和锅具中都会产生涡流；锅具的电阻率远远大于铝的电阻率；易拉罐和锅具的“接触电阻”较大，因此，不会出现发光二极管被锅具短路的情形.

1 用水煮亮LED灯

实验器材：1个铝制易拉罐、1把铁皮剪(普通剪刀也可)、1个3 mm的发光二极管LED元件、1只小型不锈钢盆、少量自来水、1个电磁炉.

实验步骤：

1)用铁皮剪将易拉罐底部和头部剪去，沿着罐身的倾斜方向剪成图1所示的形状.

图1 剪裁的易拉罐

2)将“易拉罐”的2个“接头”向后弯折，把LED灯的2只脚安在2个“接头”上，并向后弯折2只脚. 由于“易拉罐”有弹性会绷紧，LED灯与2个“接头”接触良好，且不易松动掉，如图2所示.

图2 连接LED

3)在不锈钢盆中装入水，盆中的水要淹没LED灯.

4)把不锈钢盆放在电磁炉上.

5)按下电磁炉开关，使电磁炉处于烧水状态，并将功率调至最低.

6)把“实验设备”放入盛水的不锈钢盆中，看到LED不发光，或者发出微弱的光(取决于“易拉罐”的高度，将“易拉罐”等效成无数个线圈，“易拉罐”越高，等效圈数相对越多).

7)不断调高电磁炉的功率. 看到LED由不发光变为发光，且逐渐变亮，或者看到越来越亮. 实验效果见图3.

图3 实验现象

实验解释：

电磁炉中有1盘线圈(图4)，通交流电后，线圈中变化的电流在周围空间产生变化的磁场. 由于电磁感应，“易拉罐”中产生涡电流. 为了给学生解释清楚，可以建立这样的模型：将电磁炉中的线圈简化为1个方形线圈，“易拉罐”也简化为1个方形线圈，如图5所示. LED灯虽然具有单向导电性， 但通过它的感应电流的频率等于220 V交流电的频率即50 Hz，虽然LED灯不停地熄灭又点亮，但由于人眼的视觉暂留，看到LED灯“持续”发光.

图4 电磁炉线圈

图5 实验原理的简易模型示意图

2 结束语

该实验既增加了学生对涡流的理解，建构了涡流概念，又加深了对电磁感应的理解. 在物理教学中，教师开发一些物理创新实验可以激发学生的创新意识，培养学生的创新思维.