磁生电——带你走进五彩缤纷的世界

尤仁才

摘 要：实验探究能力是物理学核心素养的关键成分，本文从简单的实验开始，引导学生改进实验，分析原因，逐步解决问题，终创作出彩灯和改进彩灯。通过探究实验，学生体会到物理学的魅力，感受到发明创作的不易却有趣，同时也有助于理解发电机的原理。

关键词：实验;磁铁;线圈

学生通过物理学习，内化具有物理学科特有的品质是物理学科核心素养的关键成分[1]。通过高中的学习，学生应该具有发现问题，设计实验，探究实验，分析实验现象，解决实验问题的能力。在学生学习了电势感应定律之后，为了向学生展示如何利用所学的知识来创造“奇迹”（磁生电），制造发电机。为此，本文结合教材内容和学生的水平，制作了以下的实验，以培养学生的物理核心素养，同时也可以为后续学生学习发电机原理做铺垫。

一、抛出问题

展示如图1实验装置，其中电表采用量程为3V的电压表，而不采用G表，目的是缓慢插入或拔出条形磁条螺线管，让指针微小摆动。抛出问题：如何让指针摆动幅度大点，即产生较大电流？学生一般都会提出：加快条形磁铁的速度，加强磁铁的磁性。如图2：在条形磁铁一端加在2个圆形强磁铁，再次迅速插入或拔出螺线管，电压表的指针明显摆动，最大电压可达到约为1V。此时提出问题：产生的电能否让LED灯亮起来？

二、点亮LED灯

展示实验装置如图3，实验采用的LED灯的额定电压为3V。先用图2的磁铁迅速插入或拔出螺线管，结果LED灯发出微弱的光。如何改进实验，才能使LED灯的亮度更亮？

先实行方案一：线圈匝数n，横截面积S不变，根据公式，可知为了产生更大的电动势，则需要增大磁通量变化△BS或减小磁通量变化的时间。

实验步骤：（1）先增大磁通量变化△BS：增加強磁铁的个数，再迅速把磁铁插入或拔出螺线管。经过多次实验，发现采用6个圆形强磁铁，效果最好且便于操作，结果LED灯变亮。

（二）接着减小磁通量变化的时间：采用如图4装置，在螺线管中插入一空心透明塑料管，其直径约为2.5cm，长度约为0.5m，磁铁从塑料管上端静止释放，则可以增大磁铁穿过螺线管的速度，减小磁通量变化时间。螺线管下方垫一海绵，以保护下落的磁铁。

实验结果：磁铁从塑料管下落穿过螺线管时，LED灯会发出较亮的光，但未达到在额定电压工作下的亮度。

为了进一步增加LED的亮度，根据实验室条件，把塑料管的长度换成1.5m，直径不变如。结果发现，LED的亮度几乎没什么变化。分析原因：根据自由落体运动规律，物体运动时间，可计算出磁铁从0.5m和1.5m的塑料管中自由下落的时间差约为0.2s，再加上阻力的影响，两管磁通量变化的时间差很小，所以对感应电动势影响不大。为了继续让LED灯更亮，提出方案二。

方案二：在磁场强度B不变情况下，改变线圈的匝数n和面积

根据磁通量变化公式，磁场穿过线圈的有效面积越大，磁通量变化越大。线圈的面积该为多大？为此，先用磁感应强度传感器测量实验所用磁铁周围的磁感应强度，如图5，磁铁最大磁感应强度为23.43mT，在距磁铁中心约2.5cm处其的磁性衰减为2.88mT。用上文中同一型号螺线管的漆包线绕着直径约为2.5cm的空心塑料管做一线圈，实验装置如图6，线圈两端与LED灯相连接。线圈的总长度与螺线管的绕线长度一样，横截面积约为原螺线管的，则新绕制的线圈匝数约为原螺线管的2倍，匝数约为700匝，穿过线圈的磁场面积S可认为与穿过螺线管一致，则根据公式，可知感应电动势应将近为原来2倍。

把磁铁同样从长为0.5m塑料管一端静止释放，发现LED灯亮度明显变大，几乎与额定电压工作下的一样。

三、制作彩灯[2]

自制的仪器如图7：按图7的方法在塑料管不同位置绕制线圈，每个线圈与不同颜色的LED灯相连接，并用透明胶布把线圈包起来，以防止线圈中漆包线受到破坏，塑料管两端塞些海绵，以保护磁铁，将磁铁置于塑料管子，拧紧盖子。可水平或上下晃动塑料管，磁铁在线圈中穿梭，LED灯各自发出不同颜色的光。摇晃塑料管的速度越快，LED灯的亮度越亮，这个实验给学生带来极大的震撼。

由于磁铁在运动过程中会经常裂开，则对上面自制仪器做些改进：把磁铁固定在两根木棍中间，接有不同颜色LED灯的线圈用胶布黏在一起形成线圈组，套在木棍上，如图8。线圈组可在木棍上移动，穿过磁铁，发出五颜六色的光。

在线圈靠近磁铁运动的过程中，发现有些线圈的LED不亮，改变线圈的方向，LED灯又亮，继而又可引导学生思考。实验中采用的LED灯具有单向性，为了让运动线圈上的LED灯随机都能亮，可在线圈上并联正负极相反的LED灯，同时也使得彩灯更加靓丽多彩。

以上实验都是采用线圈或磁铁做直线运动，那么能否用不同的运动方式来产生电？如图9，把接有LED灯的线圈套在一塑料圈上，一轻质铝管（或木棍）穿过塑料圈，且固定在塑料圈上。把该装置置于马蹄形磁铁中，如图10。转动铝管，则可带动线圈绕铝管旋转，LED发出亮光。同样，若想要看到更多颜色的光，可在线圈在并联不同颜色的LED灯，或在铝管上套上更多的线圈。

最后可向学生说明，以上两种彩灯实际上就是发电机的两种类型：磁铁为定子和线圈为定子。发电机的原理实际上就是：磁生电，变化的磁场产生电。

结束语

通过简单的实验一步步引导学生思考问题，设计实验，解决问题，分析原因，创作彩灯，改进彩灯，可让学生体会发电机的整个发明过程，了解科学创新的方法和思维，并能从中体会到实验的魅力和所带来的震撼，享受智慧的结晶。也可让学生体会到看似复杂的东西，其实背后的原理很简单：磁生电，这就是物理学的美。

参考文献

[1]黄利军.浅谈基于物理学科核心素养培养的物理实验教学——以“实验：探究小车速度随时间变化的规律”教学为例[J].物理教学，2019（10）：39-41.

[2]袁锦成，潘蓉.感应电流产生器的制作与使用[J].物理教师，2019（2）：68-69.