基于DIS对“电磁阻尼演示实验”再探究

陕西省西安市经开第一中学(710018) 孙 涛

闭合导体与磁体发生切割磁感线的运动时,由于闭合导体的磁通量发生变化,在闭合导体内产生感应电流,这一电流所产生的磁场会阻碍两者的相对运动,把这一现象称为电磁阻尼。笔者由人教版物理选修第4章第7节“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”问题与练习第3题受到启发,自制了一套电磁阻尼对比演示实验装置。此装置借助强性磁铁穿过等长铝管和PVC塑料管的时间差来定性解释电磁阻尼现象,并进一步借助DIS通过F－t数据图线对实验再探究。

1 自制教具

如图1所示,分别为：①铷铁硼强圆柱体磁铁10片(直径10mm,小于空心铝管内径);②外形和大小一样的铁圆柱体和强磁圆柱体各1块;③2根长度和粗细一样的空心铝管和PVC 塑料管(长42cm,直径20mm)。

2 实验演示

让空心铝管和PVC 塑料管竖直放置,让强性磁铁分别从管上口自由落下,通过比较它们离开管下口的时间差,感知磁铁通过铝管的阻碍作用。另外,我们还可以通过判断磁铁与桌面碰撞的声音大小,来认识铝管对磁铁的阻碍作用。

图1 自制教具

3 现象解释

空心铝管可以看成是由无数闭合的铝环组成,在强磁体进入铝管做自由下落运动的过程中,穿过闭合铝环回路的磁通量发生变化(强磁体上方铝管中的磁通量减小,下方铝管中的磁通量增加),闭合铝环回路中产生感应电流。根据楞次定律,感应电流的磁场将对下落的强磁体产生阻力的作用(强磁体上下两端都受到向上力的作用),所以强磁体在铝管中会缓慢下落,这就是电磁阻尼现象。由于PVC塑料管不是导体,强磁体在其中做自由下落运动时,没有感应电流产生,没有电磁阻尼现象,所以很快通过塑料管。

4 实验拓展

该实验在原有演示实验基础上稍加改装,就可以借助DIS进一步探究磁铁穿过空心铝管和PVC塑料管时装置的受力情况。

4.1 实验改装

分别在空心铝管和PVC塑料管一端安装塑料绳环,用细线固定平稳,自由悬挂在力传感器上。

4.2 实验过程

(1)如图2(a)所示,把PVC 塑料管一端悬挂在力传感器上,稳定后读数窗口显示铝管的自重大小为0.67N,采集F－t数据图线为平行于t轴的直线。

(2)让强磁铁从管口自由落下,磁铁穿过塑料管过程中,F－t图线未发生变化,如图2(b)所示。由F－t图像可以看出,强磁铁下落过程中与塑料管之间没有相互作用力。

图2 实验过程

(3)如图2(c)所示,把铝管一端悬挂在力传感器上,稳定后读数,此时读数窗口显示铝管的自重大小为1.2N,采集F－t数据图线为平行于t轴的直线。

(4)让强磁铁从管口自由落下,磁铁穿过铝管过程中,F－t图线立刻发生变化,如图2(d)所示。图线进一步说明,在强磁体进入铝管做自由下落运动的过程中,穿过闭合铝环回路的磁通量发生变化,铝管上产生感应电流的磁场将对下落的强磁体产生阻力的作用。根据力的相互作用,强磁铁对铝管有向下的力,所以图像示数变大,大约为1.85N。

5 注意事项

(1)本实验成功的关键是一方面要选购足够强的磁体(网购铷铁硼强圆柱体磁铁),用一般磁体实验现象不明显,无法清楚地区分彼此下落的快慢。另一方面两管的长度稍微加长(教材中指出1m 左右为宜),实验现象会更明显。

(2)在实验拓展中,待铝管和塑料管静止后,方可让强磁铁从管上口自由下落,并采集实验数据,这样获取的F－t实验图线更规范、精确。

(3)强磁铁下落过程中与管壁有少许摩擦,尽可能让磁铁从管口中央自由下落,可以减小实验误差。当然,磁铁与铝管内壁有摩擦,更可以说明是磁铁的磁场与铝管中产生感应电流磁场相互作用的结果。

6 结语

本文介绍的电磁阻尼演示实验具有表演性和趣味性,拓展实验更具有探究性。通过现象观察和定量探究引发学生认知冲突,使平淡无奇的物理课堂“活”起来,增添了物理教学的科学性和趣味性。同时,借助DIS进一步对电磁阻尼现象探究,对激发学生学习兴趣具有积极的促进作用,有助于学生主动建构知识,也有助于学生科学态度和创新能力的培养。