线圈在磁场中切割磁感线的装置制作与应用——探究磁生电的条件和规律的补充实验

◆王丹 罗剑

1 问题提出

在浙教版《科学》八年级下册的电磁感应现象教学中，电磁感应的条件是教学中的重点：“闭合电路的一部分导体在磁场中切割磁感线，会产生感应电流。”教材的实验只对切割磁感线进行了深入探究[1]，在得出结论时，很多学生对条件中的“一部分导体”提出疑问：为什么要一部分导体在磁场中切割磁感线？所有导体均在磁场中切割磁感线会有什么结果？

其实，产生感应电流的实质是闭合回路中的磁通量发生变化，而在初中阶段所研究的均为匀强磁场，全部导体在磁场中切割磁感线时磁通量没有变化，因此不会产生感应电流。初中学生没有磁通量的概念，那么如何向初中生解释这个问题？通常，教师会通过画一幅线圈在磁场中运动的图，直接在理论上给学生讲解当线圈全部在磁场时，两条对边产生的感应电流方向相反，互相抵消。这种直接讲解的方式使学生缺少直观的感受，也跳过了自己思考的过程，效果不佳。

2 装置设计与制作

基于上述教学问题，有必要设计一套实验装置，让学生直观观察线圈的部分导体和全部导体在磁场中切割磁感线到底会不会产生感应电流。学生可以基于直观的感受，再去思考造成这种结果的原因。

首先，需要制造一个范围较大的匀强磁场以确保整个线圈置于磁场之中。通常，实验室是通过制造亥姆霍兹线圈产生匀强磁场的[2-4]。但是，亥姆霍兹线圈制作较为复杂，线圈匝数通常要大于500匝，且通入的电流较大时才能得到几毫特斯拉强度的磁场，此时线圈中电流的热效应会影响实验装置的安全性。若线圈匝数不够，或通入的电流太小，则产生的磁场强度较小，导体在其中切割磁感线产生的感应电流也较小，很难使灵敏电流表指针偏转。面积较大磁体的N 极和S 极平行放置，中间区域是一个近似的匀强磁场，该磁场的均匀性和磁场强度与两磁体间的距离有关，距离越近，磁场的均匀性越好，磁场强度也越大[5]。本文采用两块面积较大的铁磁体的N 极和S极平行放置的方法制造匀强磁场。

为了制造一个磁场强度较大、均匀性较好的磁场，需要使两块磁体的N 极和S极靠得很近。为避免两块磁体因为吸引力较大而相互吸引，需要一个固定装置，如图1所示。固定装置由两组相同的亚克力板组成，每一个组合由三块板组成，分别用A、B、C表示。两块磁体的尺寸均为150mm（长）×20mm（宽）×100mm（高）。A 板尺寸为200mm（长）×50mm（宽）×19mm（高），能够防止两块磁体吸引在一起。B板的尺寸为200mm（长）×200mm（宽）×20mm（高），能够将磁体置于其中，且方便搬移。C板的尺寸为200mm（长）×100mm（宽）×20mm（高），可以防止装置过重而导致放置时压手，同时面积较大，较为稳定。在此装置中，两块磁体间的距离为50mm，两块磁体中间的匀强磁场面积比磁体正对的面积略小。在A 板上开一道凹槽作为线圈运动的轨道，可方便控制线圈在磁场中稳定地做直线运动。

图1 匀强磁场装置

如图2所示，把线圈放到凹槽中，通过拉动固定在线圈上的黄线，可使线圈在磁场中稳定地做直线运动；将线圈连上灵敏电流表，即可观察产生的感应电流的情况。

图2 放入线圈连上灵敏电流表

3 装置应用及效果

拉动线圈上的固定绳索，使线圈在磁场中做切割磁感线运动。在线圈未完全进入磁场时，即线圈的部分导体在磁场中切割磁感线时，灵敏电流表指针发生偏转；当线圈完全进入磁场时，暂停拉动线圈（灵敏电流表指针会因为惯性而摆动），待灵敏电流表指针静止后再拉动线圈，可观察到灵敏电流表指针不发生偏转；等线圈开始离开磁场时，灵敏电流表指针又发生偏转。

为了能把电流的情况记录下来以供学生在实验后分析感应电流产生的条件，可以用电流传感器替代灵敏电流表，并将电流传感器与DISLab软件相连，即可将线圈部分导体和全部导体在磁场中切割磁感线产生的感应电流的图像显示并记录下来。拉动线圈使线圈穿过磁场，产生的感应电流如图3所示。电流为0时，是线圈全部在磁场中切割磁感线的时候；电流不为0时，是线圈未完全进入磁场，即部分导体切割磁感线的时候；进入磁场和离开磁场时产生的感应电流方向相反。

图3 线圈穿过磁场产生的感应电流

在实际教学中，可以先探究教材中的实验，明确切割磁感线是产生感应电流的条件之后，再演示本实验，并提问：“为什么线圈在磁场中切割磁感线，有时会产生感应电流，有时又不会产生感应电流？”通过制造认知冲突，吸引学生的注意力，激发其好奇心，促使学生主动思考、自主探究。在观察的基础上，学生自主探索和思考，教师再适当地进行画图讲评，可使学习效果大大增强。

本实验装置还可用于探究产生感应电流的大小与导体切割速度大小的关系，如图4所示。当较慢拉动线圈时，产生的感应电流为0.01A；加快拉动线圈的速度，产生的感应电流变为0.02A。因此，导体切割磁感线的速度越大，产生的感应电流也越大。

图4 不同切割速度产生的感应电流比较

4 装置应用反思及 改进

利用本实验装置演示线圈穿过磁场产生感应电流的情况，可以极大地激起学生对科学的好奇心，增强学生的学习兴趣，促使学生主动探究部分导体和全部导体在磁场中切割磁感线产生感应电流的区别，促使学生主动学习、深度学习，很好地解决学生在学习电磁感应现象时对“一部分导体”在磁场中切割磁感线的疑惑，教学效果良好。

在实际演示实验过程中，线圈需匀速穿过磁场，产生的感应电流才能如图3、图4中对称。由于人为拉动很难控制线圈进行匀速运动，尤其是在演示快速拉动线圈时，产生的感应电流图像出现波动的概率较大。波动的电流图像会给学生对感应电流的条件和规律的分析带来不必要的干扰。为了避免这些干扰，可以对装置进行改进：利用小电动机和滑轮的组合带动线圈做匀速直线运动，利用电动机的不同挡位调节线圈在磁场中切割磁感线的速度。

此外，为直观展示线圈是部分导体在磁场中还是全部导体在磁场中切割磁感线，可以用激光把磁感线形象地表示出来[6]：在磁体上安装一面3×4的激光矩阵，演示实验前在磁体中间点燃一段线香，打开激光，就可以看到磁场中三行四列的“磁感线”。增加看得见的“磁感线”，可以极大地增强本实验的可视化程度，有效降低学生的认知负荷，有助于学生对实验的理解。