巧用可拆变压器探究电磁感应现象

王洪涛 刘召新

[深圳外国语学校(龙华) 广东 深圳 325000](余姚市第四中学 浙江 宁波 315400)

1 制作背景

“电磁感应”是人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-2》中的重点内容，关于电磁感应的应用教材提供的案例主要是：如图1真空冶炼炉，这个案例虽然是一种重要的应用，毕竟在学生的日常生活中见不到，所以缺少亲近感和信任度；图2电磁驱动作为成品的教学仪器，尽管实验效果不错,仍然缺少自制教具的天生亲切感.笔者利用可拆变压器加上常见的生活物品设计了系列实验,不但能达到教材实验的效果，而且优化和完善了电磁感应现象的实验演示.

图1 真空冶炼炉 图2 电磁驱动演示仪器

2 实验装置

如图3所示，用可拆变压器作为主要装置,自己动手绕制的简易线圈,再配合铝环和铁碗,这些元件按照不同的组合分别将电磁感应的现象以各种不同的形式呈现出来.各部分组件的名称详见图3下方的标注.

图3 实验组件

3 实验装置的主要结构和功能介绍

(1)可拆变压器. 选用原线圈额定电压超过220 V,额定电流超过2 A的可拆变压器.

(2)铝环.”跳环”实验演示电磁阻尼.

(3)自制线圈. 演示互感.

(4)多匝线圈. 多匝互感.

(5)铁碗.演示涡流生热现象.

4 实际教学的探究过程

4.1 变压器铁芯的作用

如图4(a)所示,可拆变压器铁芯半闭合，左边原线圈接上220 V交流电，右边用自制线圈代替副线圈，此时副线圈所在闭合回路中的灯泡没有发光.如图4(b)所示，将铁芯闭合，灯泡立即发光.在铁芯外面靠近一个多匝线圈，如图4(c)所示,灯泡没有发光.

图4 验证变压器铁芯的作用

实验结论：铁芯能够约束磁场，传导磁感线，闭合的铁芯能够减少漏磁.

4.2 线圈匝数对电磁感应的影响

如图5(a)所示,原线圈接上220 V交流电，可拆变压器铁芯半闭合时，用匝数较少的自制线圈时，副线圈所在闭合回路中的灯泡没有发光.如图5(b)所示，换用多匝线圈时，所在闭合回路中的灯泡能够发光.如图5(c)所示,两个线圈同时套在右边铁芯，两个灯泡一个发光，一个不发光，形成明显的对比.

图5 线圈匝数对电磁感应的影响

实验结论：电磁感应产生的感应电动势跟线圈的匝数有关，匝数越少，感应电动势越小，匝数越多，感应电动势越大.

4.3 电磁驱动

4.3.1 “跳环”实验

如图6(a)所示,把可拆变压器的铁芯拆开竖直放在线圈的上方，把铝环套在铁芯上.原线圈接在220 V交流电源电路，当闭合开关时，原来静止的铝环立即向上跳起，形成如图6(b)所示的跳环现象.

图6

4.3.2 “悬浮环”实验

如图7(a)所示,把可拆变压器的铁芯拆开竖直放在线圈的上方，把两个铝环套在铁芯上，在上方放置一个塑料挡板。原线圈接在220 V交流电源电路，当闭合开关时，如图7(b)原来静止的两个铝环相继向上向上跳起，最终由于塑料板的阻挡，形成如图7(c)所示的悬浮环现象.

图7 悬浮环实验

实验结论：电磁感应现象中，由于产生电磁感应的回路总要阻碍原磁通量的变化，所以就产生了力的作用.

4.4 涡流加热自制电磁炉

图8是自制电磁炉的图片.

图8 自制电磁炉

如图8(a)所示,先展示电磁炉进行烧水的生活实例，询问学生电磁炉烧水的原理，进行相关猜想和讨论.如图8(b)所示.

把可拆变压器铁芯半拆开，线圈接上220 V交流电，把盛少量水的铁碗放在线圈上面.过一会，线圈上的水产生了水蒸汽，伴有嘶嘶的沸腾声音，电磁炉的加热原理就明白了.

实验结论：电磁感应现象中，靠近的金属导体内部产生许多闭合的电流，称之为涡流.涡流使金属导体产生发热现象.

5 该装置的特点

本装置取材方便，实验现象明显，巧妙地将抽象的电磁感应以光、运动、热等现象直观地呈现出来，是一个系列实验仪器套装.利用该装置进行实验探究更贴近生活，靠近问题的本源，使学生更容易理解，实际教学效果很好.