利用DIS实验图像 呈现“增反减同”规律

李瑞鹏

(宁夏回族自治区石嘴山市第三中学,宁夏 石嘴山 753000)

1 引言

楞次定律是高中电磁学教学的重点和难点,一是其涉及的因素多，包括原磁场方向、磁通量变化、线圈绕向、感应电流方向、感应电流的磁场方向等;二是规律的抽象性和概括性很强。传统实验从判断感应电流产生的条件入手,构建各相关量的关系,从而引导学生进行分析、归纳,总结得出感应电流的磁场与原磁场磁通量变化的关系。[1]该实验过程复杂,现象繁多。另外楞次定律的表述言简意赅,学生刚开始学习,通常不能准确领会它的涵义。

利用DIS设计楞次定律实验,[2]手持条形磁铁在感应线圈中沿直线来回运动,借助微电流传感器可得到感应电流的波形图(图1)。通过图像学生虽然可以直观地感知感应电流随时间的变化,但却不能直观感知原磁场、感应电流的磁场的变化。为了帮助学生直观形象地理解楞次定律所揭示的规律,笔者改进了利用DIS的楞次定律实验,运用图像方法呈现“增反减同”的实验结果。

图1

2 实验原理

楞次定律揭示了感应电流的磁场对原磁场磁通量的变化有“阻碍”作用。由Φ=BS可知，在线圈面积不变的情况下,原磁场磁通量的变化由原磁场磁感应强度的变化导致,因此设计楞次定律实验时主要以探究感应电流的磁场与原磁场的关系为目标,实验可以设计为两条主线。

2.1 探究感应电流的磁场特点

考虑到原磁场的干扰，感应电流磁场的磁感应强度不能直接用磁传感器测量,可先用微电流传感器测量感应电流,将微电流传感器与线圈串联后接入数据采集器，当条形磁铁靠近和远离线圈时,利用数据采集软件可以在电脑屏上显示感应电流的大小和方向随时间的变化关系(i-t图像),再依据电流的磁效应和安培定则将感应电流随时间变化的图像(i-t图像)转化为感应电流磁场的磁感应强度随时间变化的图像(B-t图像)。

2.2 探究原磁场的特点

原磁场的磁感应强度可直接用磁传感器测量,为了避免感应电流磁场对原磁场的影响,可将线圈撤掉,保持其他实验器材位置不变使用条形磁铁重复探究感应电流的实验过程,由数据采集软件得到条形磁铁靠近和远离线圈时原磁场的磁感应强度随时间的变化图像(B0-t图像)。通过分析对比B-t图像和B0-t图像,得出实验结论。

3 实验过程及结果分析

3.1 探究感应电流的特点

如图2所示,实验用到的器材有：微电流传感器、条形磁铁、铜线圈、两本字典组成的稳定平台等。微电流传感器的红黑表笔分别接铜线圈的左右两端,条形磁铁置于稳定平台上划线处,S极指向线圈。

图2

打开数据采集软件,点击“开始”“校准”按钮,当时间到10 s时,将条形磁铁沿稳定平台快速推进线圈,并在线圈中停留大概10 s,在20 s时将条形磁铁沿原路快速拔出线圈,电脑显示屏上得到感应电流随时间的变化图像(图3),由图3可知：只有穿过闭合线圈的磁通量变化时,线圈中才会产生感应电流,并且在条形磁铁进入与离开线圈时产生感应电流的方向不同。

图3

3.2 定性分析感应电流的磁场

磁感应强度是矢量,分析感应电流产生的磁场特点应从以下两个方面入手。

(1) 磁感应强度强弱的判断：根据电流的磁效应,感应电流的磁场强弱与感应电流大小变化同步,感应电流增大(或减小)时，感应电流的磁场也会增强(或减弱)。

(2) 磁感应强度方向的判断：微电流传感器中电流红进(黑出)为正,利用图2所连电路结合右手定则可分析出：当感应电流为正值时,感应电流的磁场方向向右；当感应电流为负值时,感应电流的磁场方向向左。既然感应电流磁场的强弱和方向与感应电流的大小和方向存在这种必然的联系,因此可将感应电流随时间变化的图像(i-t图像)做进一步处理,转化为感应电流磁场的磁感应强度随时间变化的图像(B-t图像),这样一来,该图像纵轴就表示感应电流磁场的磁感应强度,正半轴表示感应电流磁场沿线圈轴向向右,负半轴表示感应电流磁场沿线圈轴向向左(图4)。

图4

3.3 探究原磁场的特点

如图5所示,将磁传感器放置在线圈所在位置,为了避免线圈对原磁场干扰，将线圈撤走,条形磁铁同样置于稳定平台上划线处,N极指向线圈原来所在位置。

图5

打开专用数据采集软件,点击“开始”“校准”按钮,10 s时将条形磁铁沿稳定平台快速推进线圈,并在线圈中停留大概10 s,20 s时将条形磁铁沿原路快速拔出线圈,电脑显示屏上得到如图6所示的原磁场磁感应强度随时间的变化图像(B0-t图像),由于条形磁铁S极向右,结合图像可知原磁场向右也为正。

图6

3.4 结果分析

结合物理过程，对比分析图4和图6,当条形磁铁S极进入线圈时,原磁场的磁感应强度反向增强,感应电流磁场的磁感应强度先正向增强,后减小为零;当条形磁铁置于线圈中静止不动时,感应电流磁场的磁感应强度为零;当条形磁铁的S极离开线圈时,原磁场的磁感应强度反向减弱,感应电流磁场的磁感应强度先反向增加,后减小为零,总结上述对比分析,得出：感应电流的磁场对原磁场的变化有“阻碍”作用,并且“阻碍”不仅是“反抗”原磁场的增加,同时又是“补偿”原磁场的减弱,即“增反减同”。

以上两组探究实验都是在条形磁铁S极进入和离开线圈时得出结论,要验证实验结论,可以调换条形磁铁的磁极,让N极指向线圈在一定的时刻快速插入和拔出线圈,重复以上实验过程,可得到原磁场的B0-t图像(图7)和感应电流磁场B-t图像(图8),分析可知结果与得到的实验结论相符。

图7

图8

4 实验教学评价与反思

与传统实验相比,本实验设计更加突出楞次定律的本质，即探究感应电流的磁场与原磁场的关系,实验目的更加明确。微电流传感器、磁传感器的使用将学生无法直接感知的物理现象和过程转化为更容易接受和理解的图像,利用图像对比感应电流的磁场与原磁场的关系特点,结论显而易见，逻辑关系更加简单,有助于加深学生对物理现象、规律的认识与理解。