自制一款可视化的楞次定律演示装置

摘 要：为了解决中学生学习楞次定律理解“磁通量的变化”这一抽象的概念。结合电子技术，设计了一款自制楞次定律演示的装置。本装置能清楚地演示出楞次定律的原理，具有易操作、便捷、直观等特点。

关键词：楞次定律;自制;直观

Abstract：In order to solve the problem that middle school students learn Lenz's law and understand the abstract concept of "the change of magnetic flux".Combining with the electronic technology，a self-made demonstration device of Lenz's law is designed.It can demonstrate the principle of Lenz's law clearly，and has the characteristics of easy operation，convenience and intuition.

Key words：Lenz's law; self-made; intuition

中学生在学习楞次定律“穿过闭合回路的磁通发生变化时，回路中就有感应电流产生，而感应电流的方向总是使它产生的磁场去阻碍闭合回路中原有的磁通的变化”，对关键词“阻碍”的理解比较困难，对感应电流的方向该如何判断摸不着头脑。为了提高楞次定律的教学效果，目前出现了一些演示装置用于课堂教学中。比较典型的旋转式J11224 楞次定律演示器，该仪器是通过磁铁的插入和拔出时机械臂的晃动来反映楞次定律产生的机械阻尼效果，但其不能反映出感应电流方向遵循的规律;且存在金属环面积较小，磁铁插入时容易碰到金属环，悬臂较短，磁铁插入速度稍慢时旋转不明显、不灵敏。[1]另一种比较典型的楞次定律演示器是教材中使用的检流计式演示仪，这种演示仪是通过观察磁铁插入与拔出螺旋管线圈时检流计指针的偏转方向来反映线圈中感应电流的方向应遵循的规律，比较容易观察，但其不能反映出感应电流对磁铁产生的机械阻尼效果。除此之外，一些公知的楞次定律演示仪也都存在“时间短、判断难”的不足。为了更好地演示出楞次定律，结合电子技术，自制了一款可视化的楞次定律演示装置。

1 设计思路及电路实现

1.1 设计思路

传统的楞次定律实验演示仪是将线圈固定不动，通过插拔条形磁铁方式来演示楞次定律。本设计则是反过来让条形磁铁固定不动，通过插拔线圈的方式来演示楞次定律，通过实验发现这种设计方式对本装置实验效果更明显且实验现象更稳定。实验中当线圈在条形磁铁中插拔时，线圈中的磁通量会跟随发生变化，于是线圈中就会产生感应电流，但此时的感应电流较小且是瞬态的，线圈中产生的微小电流可以带动检流计的指针偏转，但指针的偏转是瞬间的学生不容易观察。为了让学生更清楚，更明显地观察到线圈在条形磁铁中插拔时线圈中感应电流的方向到底是指向那个方向，本设计是将线圈中的微小感应电流通过两个微电流放大器将电流放大到能够触发单片机微处理器。这样单片机微处理器在接收到相应信号后，通过程序控制相应的高亮LED指示灯点亮，并同时控制LED灯点亮的时间。由于“LED箭头灯”（由多颗LED等组合成一个箭头的形状排列，其箭头的方向指向与线圈中电流的方向在水平上保持一致）点亮的时间被延时了2-3秒，而不再是瞬时点亮，所以，学生此时就可以方便直观地通过LED箭头灯判断出线圈中感应电流的方向到底是指向的那个方向，此时老师让学生再结合安培定则进行分析就容易让学生更好理解楞次定律。

1.2 电路实现

电磁铁在线圈中产生的感应电流一般是比较微弱，不足以驱动外部器件也不易被单片机处理器采集。因此需要对得到的感应电流进行放大处理。本装置采用的AD623集成单电源仪表放大器，可以工作于单电源和双电源下。它允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，具有很好的用户灵活性。单片机微控制器具有集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强的特点，在测控系统、智能产品中广泛地使用，本设计采用8位的51单片机作为微控制器。

2 制作方法

如图1结构图所示，仪器有一底座1，仪器箱2的中间位置安装一微小电流检流计4，仪器箱的左右两边分别安装红绿两种高亮的LED感应电流方向指示灯3，一根装有圆柱形磁铁的PVC管5安装在仪器箱顶部的中心位置上，线圈6导在PVC管上，实验时将线圈在装有圆柱形磁铁的PVC管上插拔时，一是微小电流检流计的指针会发生偏转，可以根据指针偏转的方向来判断线圈中感应电流的方向，同时红绿两种高亮的LED感应电流方向指示灯也会被点亮，可以通过被点亮的LED灯进一步判断线圈中感应电流的方向，用检流计指针偏转的方向和点亮的LED箭头灯二者结合用来共同判断线圈中感应电流的方向比原有一些仪器只用其中一个来判断效果就好很多。特别是指示感应电流方向的LED灯点亮时会两2-3秒，这样观察起来就更方便，从而实现设计的目的。

为了进一步说明制作的过程，给出了详细阐述可视化楞次定律演示仪的内部接线如图2所示。

3 总结

结合电子技术，利用智能芯片巧妙地捕获“感应电流”，并对其进行有效地处理，使不易判断出感应电流的方向以及理解“阻碍”等关键问题得到解决。该设计装置简单易操作，能充分增强学生的积极性，同时也能激发学生探究科学奥秘、以及增强学生的工程意识。

参考文献：

[1]杨军.改进的楞次定律演示器六款[J].教学仪器与实验，2005（11）.

[2]叶泽，王静.楞次定律综合实验仪[J].物理实验，2019，39（1）：61-64.

[3]刑长苓.楞次定律演示器的创新设计[J].中学物理教学参考，2007，36（6）：35.

[4]林伟君，高洁.自制一款楞次定律演示装置[J].物理教学，2016，38（3）：34-35.

作者簡介：江敏（1990-），男，重庆开县人，硕士，助教，研究方向：嵌入式技术及智能产品设计研究与教学。