用强力磁铁自制高中物理演示实验两例

陈 涵 陈 雪

(成都市新都一中 四川 成都 610500)

中学物理教学中不仅要求教师引导学生准确掌握物理概念和规律，而且部分章节还要求通过演示实验把要研究的物理现象展示在学生眼前，引导学生观察，思考，总结规律，完善概念，使学生对物理学科有一个完整的认识．教学过程也符合由感性到理性的认识规律，学生在头脑中不仅有定义和公式，而且有鲜明的物理表象[1]．然而由于实际条件限制，部分学校仅靠校内实验室所提供的有限器材无法很好地演示出教学所需的实验现象．这种情况下，需要教师自制或者改进实验仪器，使之符合教学的要求．

1 楞次定律的“增反减同”规律演示实验

如图1所示，该实验是探究电磁感应电流变化规律的一个比较经典的课堂演示实验．利用了二极管的单向导通性和感应电流方向的规律，取颜色不同发光二极管两只，按图1连接成电路．当磁铁不断进入和离开螺线管的时候，根据楞次定律的“增反减同”原理会看到红灯和绿灯交替发亮．接下来我们以一种非常粗略的方式来推导一下螺线管中的电流和哪些因素有关.

图1 楞次定律演示实验

由法拉第电磁感应定律

和欧姆定律

联立可得通过该螺线管的电流为

(1)

如果假定螺线管上铜线的厚度可以忽略，设螺线管的半径为r，导体长度为L，横截面积为S，由电阻定律可知

结合线圈匝数

以及螺线管横截面积

S=πr2

代入式(1)可得

(2)

由式(2)可知，通过螺线管的电流大小和导体的电阻率、横截面积、螺线管的粗细、以及磁场变化的快慢有关．也就是说在材料一定的情况下需要选取尺寸宽大的螺线管，绕线的导体需要尽量粗，或者加大磁场的变化率都可以让感应电流增大从而使得实验现象更明显．所以当磁场的变化不够快的情况下，设计出来的线圈往往体积较大(这也是笔者见过的一些关于该演示的实物器材大多具备的特点)，演示的时候有可能不太方便．所以若要使得实验装置更加小巧，就要考虑增加磁铁磁感应强度的大小和运动的速度来让磁场变化更快，这个时候就可以考虑使用体积小而磁性强的强力磁铁了．

如图2所示，用有绝缘漆包裹的细铜线缠绕一小段亚克力管(内径约15 mm)到匝数约3 000匝并在两端装两个挡板加以稳固，将两个发光二极管(笔者采用了红光和绿光的二极管)按图示电路焊接到挡板上接线柱上．演示时将一到两个圆柱形磁铁(半径10 mm,高10 mm放入或者拿出管中，就能看到红色或者绿色的灯闪亮，也可以将磁铁放入管中，用手指堵住管口来回摇动也能看到该现象．由于体积较小，该装置可以在课堂演示的时候拿到讲台以下供学生观看，效果更佳．

图2 将两个发光二极管焊接到接线柱上

2 探究通电导线安培力的大小与电流的关系的演示实验改进

2.1 常规办法下该实验的困难

在高中物理教学中，探究安培力的大小和电流的关系是一个较难演示的实验．现以教科版高中《物理·选修3-1》的第三章第2节“探究安培力的大小与电流的关系的演示实验”为例，教材上提供的该实验装置是将一线框通过弹簧测力计悬挂在蹄形磁铁之间然后通电，用滑动变阻器改变线框中电流的大小来探究安培力的大小和电流的关系．笔者发现该实验有以下难点：

(1)实际操作中安培力非常的微小，只能看到弹簧测力计指针稍稍动一下，没有办法通过读数显示其变化的关系．

(2)由于蹄形磁铁产生的磁场很小，如果尽量通过增大电流来增大安培力从而使实验现象明显的话，那么线框的热效应会比较明显而不利于操作．笔者在实际操作中发现，在电流达到2 A的时候已经明显感觉到线框发烫，此时安培力仍然不显著．

2.2 对实验的改进

针对以上几个问题，笔者做出了如下改进.

(1)实验器材

强力磁铁(长×宽×高为:100 mm×50 mm×10 mm,电流表(0～0.6 A)，滑动变阻器(0～100 Ω)，直流电源9 V，迷你电子秤(量程3 kg，精度0.1 g)，导体线框(长宽约为80 mm×80 mm，约100匝，电阻约10 Ω)，铁架台，导线若干，支架等，实验装置如图3所示．

图3 实验装置

(2)改进原理

1)由于条件所致，无法使用亥姆霍兹线圈来产生足够大的磁场，所以选用磁性较一般磁铁强得多的强力磁铁代替，南北极相对放置在用亚克力材料预先做好的支架上(磁铁间距为5 cm)，以求在两个磁铁的中间产生磁感应强度相对更大磁场；

2)利用磁场较大的优势选择较小电流防止线圈发热过大；

3)因为在新改进的磁场中，线框在电流达到一定的大小的时候(1 A左右)会发生明显抖动(0.5 A左右则抖动相对较轻)，并考虑到实验过程中可能会由于人为因素造成线圈晃动，导致悬挂线框的读数装置不能准确的读数，故将线框固定而测量装有磁铁的支架受到的安培力反作用力的方法来进行探究；

4)依据上一步，选择精度更高的压力传感器测量，由于当时条件所致，所以笔者使用了便宜实用的迷你电子秤(精度0.1 g)，理论上能够显示出大约0.001 N的力的变化．

2.3 实验原理及其注意事项

(1)实验原理.如图3所示，当有电流通过线框时线框受到安培力，根据牛顿第三定律装有磁铁的支架就受到了安培力的反作用力，电子秤上就会显示相应的读数．改变电流的大小，安培力发生变化，就可以通过读数的变化探究安培力大小和电流的关系．

(2)注意事项.由于两块磁铁南北极相对时极容易粘合在一起而且很难分开，放置的时候要加以注意．同时线框放入磁场时位置要合适，要让线框的上半部分远离两块磁铁之间的区域，防止磁铁框上下因安培力方向相反发生抵消影响实验．

2.4 实验结果以及数据处理

闭合开关电子秤上就会有读数显示，通过滑动变阻器改变电流大小(0.1 ～0.6 A)，将读出的数据计入表1.

表1 读出数据

将这些数据用Excel描点，并用一条平滑的直线连接得到图4,可以看出安培力随着电流的增大而增大，且在误差允许的范围内成正比关系．此外笔者对于该实验在此装置的基础上做出了以下几个进一步的设想：

首先可以将线框设计成可变长度的，或者使用多种规格的线框探究安培力和通电导体长度的关系；其次可以制作多种规格的支架，改变两个磁铁间的距离以改变磁感应强度的大小，探究安培力与磁感应强度的关系，这些都有待于以后的工作中继续研究和探索．

图4 Excel描点

3 结束语

自制物理教学中所需的器材，可以缓解硬件方面不足的矛盾，同时提升教师对专业知识的认识，更好地激发教师创意能力，提高科研能力．设计和使用教材上没有的或者不一样的实验用于课堂演示，更能激发学生学习的兴趣，培养创新思维能力，提升综合素质．