自制多功能楞次定律演示仪

李升明

摘   要：针对当前楞次定律演示仪组成部分零散、演示功能单一等不足，创新地设计了多功能楞次定律演示仪。该演示仪除了可以探究演示楞次定律，还可以探究演示机械能守恒定律、不同性质能量之间的转换，以及演示交变电流的产生。

关键词：楞次定律;交变电流;机械能守恒;能量转换

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）5-0055-2

1    自制教具背景

目前高中物理对楞次定律的实验演示教学中，所使用的实验仪器都是零散的，包括螺线管、灵敏电流计、永磁铁和若干导线等。在实验教学中，每次教学都要重新组装一次。同时，由于电表结构是密封的，感应电流方向显示得不直观[1]。针对这些问题，本文介绍了多功能楞次定律演示仪，在演示楞次定律的基础之上，又集成了交变电流的演示、探究机械能守恒定律和探究能量的转换。

2    仪器的制作与组成

2.1    零配件的制作

仪器的组成如图1所示，整个仪器由层板、PVC管、KT板等材料制作。层板和KT板在切割后制作成支撑连接各零件的后底板和底座。将漆包线绕制在PVC管上，制作成楞次定律演示管和交变电流演示管。在层板上焊接两组呈上下箭头指向的不同颜色的发光二极管，箭头指向就代表电流方向。安装两个切换开关，用以切换演示楞次定律和交变电流。将钕磁铁分别标注好N级和S级。另外一段PVC管上和后底板在对应位置开孔，并标上刻度，这是为了方便光电门的安装与使用。刻度是为了方便直接读出物体下降的高度Δh，从而制成机械能守恒定律演示管。

2.2    电路的设计与焊接

制作该仪器的电路图（图2）。两组二极管并联焊接在一起，无论正反电流，总会有一个二极管发光。两个切换开关再分别控制楞次定律演示线圈和交变电流演示线圈与发光二极管的连接。当S1闭合，S2断开时，就可以探究演示楞次定律;当S1断开，S2闭合时，就可以探究演示交变电流的产生。

3    各实验的演示

3.1    楞次定律的演示

在演示楞次定律的时候，将楞次定律演示切换开关拨到“开”的位置，交变电流开关拨到“关”的位置。之后进行楞次定律的演示实验，用发光二极管代替原来实验中的灵敏电流计之后，让感应电流的方向更加直观。改进了灵敏电流计复杂的结构之后，无论磁铁在演示线圈中怎样运动，都可以清晰而直观地反映感应电流的方向，提高了课堂教学的严谨性与直观性。

3.2    交变电流的演示

在传统的教学过程中，是将线圈在稳定的磁场中旋转产生交变电流。本文提出的交变电流演示方案是在教具制作过程中通过线圈的绕制方向不同而实现的。这也是在楞次定律演示的基础之上进行的，让知识之间更加连贯。

演示交变电流时，将交变电流的切换开关拨到“开”，楞次定律的切换开关拨到“关”。因为在绕制交变电流演示线圈的时候，就将线圈分组交替绕制。第一组线圈顺时针绕制，第二组线圈就是逆时针绕制。在磁铁下落过程中，如果第一组线圈产生向下的电流，那么第二组线圈会产生向上的电流，如此交替循环，产生交变电流，使二极管交替发光。磁铁运动速度不同，两组发光二极管发光间隔时间也会随之改变，这样就可以向学生解释交变电流的频率问题。

3.3    机械能守恒定律的演示

探究机械能守恒定律要用到光电门传感器。将光电门传感器固定在后底板上的不同位置，而底板上又标有刻度，这樣方便演示实验时读出物体下降的高度，求出高度差。通过Dis软件就可以得到不同点的速度，从而探究机械能守恒定律。仪器总共开孔6个，可测量5组数据。教具在制作时就已开好了孔，方便实验中的演示操作。

3.4    能量转换现象的演示

因为交变电流演示线圈在与机械能守恒演示管最高那个孔和最低那个孔的相同位置也开孔，这样方便光电门传感器的使用。演示能量转换现象时，将机械能守恒定律和交变电流演示配合使用，将开关拨到演示交变电流的状态。让同一块磁铁分别从两个管中下落，当磁铁从交变电流演示线圈中下落时二极管会发光。同样的，利用光电门传感器可以测出在两根管中最高点与最低点的速度，计算其动能的改变量。将两根管中测出的动能改变量进行对比可以发现，交变电流演示管中磁铁动能的改变量ΔEk1恒小于机械能守恒演示管中磁铁动能的改变量ΔEk2;这样就可以从数值上探究磁铁的一部分重力势能转化成了二极管发光的电能;说明了不同性质能量之间的转换。

4    仪器的优点

多个实验仪器相互结合，形成一个有机的整体，做到了一个仪器多种用途。一方面方便于教师实际教学过程中的使用，另一方面在教学过程中激发了学生对相关实验的探究兴趣。将楞次定律与交变电流的有机结合，使学生在学习楞次定律的基础之上，进一步学习交变电流，既促进了交变电流的学习，也深化了对楞次定律的理解，做到了知识之间的连贯教学。仪器也创新地将电磁感应现象之间能量的转换与机械能之间的转换形成对比，让学生更加深刻地理解能量的转换。

该仪器的制作材料均来自于实际生活，所创设的物理情境让学生感到既亲切又新颖，激发了学生学习的兴趣[3]，培养了学生的创新能力，也发展了学生的核心素养。各实验的配合使用，让学生学习的知识更加连贯。学生学习到了当堂课的知识，也复习了之前学习的知识，做到了“温故而知新”。

参考文献：

[1]蒋金华，代伟，杜倩，等.水槽式洛伦兹力演示仪[J].物理实验，2017，37（10）：58-59.

[2]刘璐婷，李丰果.“楞次定律”实验创新与教学设计[J].物理通报，2019（11）：80-84.

[3]吕冬梅，葛永文.中学物理教具制作[J].毕节师范高等专科学校学报，2001（03）：58-59.

（栏目编辑    王柏庐）