安培定则动态演示仪的设计与应用

浙江省瑞安市鲍田中学(325200) 张建同

浙教版8年级下册科学教材“电与磁”单元教学中需要判定通电螺线管磁场方向与电流方向的关系。两者关系的判定用的是右手螺旋法则,即安培定则。判定方法是伸出右手,四指朝向螺线管中的电流方向,则大拇指指向为磁场的N极方向。这种判定方法虽然操作简单,但如果教师不能借助一定的实物或仪器进行演示,学生理解起来仍然比较困难,很容易将电流流经螺线管的方向弄错,这样也就会将磁场方向弄错。由此笔者针对课堂中学生出现的各种实际情况进行分析,设计并制作出了一种能动态演示安培定则的创新教学用具。该教具结构简单、运用方便、演示清晰。

1 安培定则动态演示仪的结构

1.1 外观结构

外观是一段缠绕导线的螺线管,实际上是在均匀缠绕的导线下方预埋了流水灯珠,两端蒙磨砂皮,两端里面也预埋了发光二极管(如图1)。裸露在外的2个口,1个是内置电源的充电口,1个是三档拨动开关(如图2)。

图1 两端预埋发光二极管

图2 外观

1.2 核心结构

核心结构之一:在导线下方预埋的是2根分别按顺时针和逆时针方向缠绕的流水灯带。接通内置电源,灯带的灯珠轮流发光,像流水一样流动。该仪器能动态演示类比电流的流动(如图3顺时针流动)。拨动开关,切换电源正负极,改变电流方向从而改变灯带灯珠发光的流水方向(如图4逆时针流动)。

图3 电流顺时针流动效果

图4 电流逆时针流动效果

核心结构之二:在螺线管的两端分别预置了两块布满发光二极管的电路板(如图5)。该仪器除了能动态演示电流方向之外还可以演示出通电螺线管的磁场方向,即磁场的N极和S极。在不通电的情况下,所有二极管不发光均为白色。接通电源,二极管分别发红光与绿光。在磁场的北极显示出红色的“N”字母(如图6),在磁场的南极显示出绿色的字母“S”(如图7)。

图5 发光二极管的电路板

图6 二极管发红光

图7 二极管发绿光

2 安培定则动态演示仪操作与演示

正常情况下,拨动开关使其处在中间位置,也就是关闭状态。横向放置螺线管,向左侧拨动开关,流水灯带顺时针流动发光,显示电流方向为左视顺时针方向流经螺线管。此时螺线管的左端为磁场的北极,发光二极管发红光并显示出红色的“N”字母(如图8),螺线管的右端为磁场的南极,发光二极管发绿光并显示出绿色的字母“S”(如图9)。

图8 磁场的北极显示“N”

图9 磁场的南极显示“S”

切换开关,将拨动开关拨向右侧,改变电流方向,此时流水灯带逆时针流动发光,显示电流方向为左视逆时针方向流经螺线管。此时两端的字母由原来红色的“N”更替为绿色的“S”,原来绿色的“S”更替为红色的“N”。这意味着随着电流方向的改变磁场方也随之改变。不断切换拨动开关,通过螺线管的电流方向轮流改变,两端字母也轮流更替。

配合该动态演示仪,伸出右手,四指指向电流方向,大拇指的指向就是磁场N极方向。与仪器显示的字母“N”一致(如图10)。

图10 右手螺旋定则演示

3 安培定则动态演示仪在实际教学中的应用效果

学生在没有借助仪器,只凭空想像或只借助示意图用右手定则的时候,经常将电流方向判断错。因为有些学生很难抽象出螺线管的缠绕方式与电流的进出关系。而借助该仪器之后,导线的缠绕方式及电流的流入流出路径非常清晰明了。

该动态演示仪结构简单,操作简便,容易携带,并且不需要外接电源,开启内置电源便可以演示。在内置锂电池电压不足时可以利用手机充电器对接充电口予以充电。充电时内置指示灯发红光,充满电变绿光,且内置充电保护,安全便捷。

4 作品创新点

(1)将通电螺线管中不可见的电流用灯带模拟显示出来,并利用控制器电路使灯珠轮流发光,起到模拟电流流动的效果。螺线管的绕线方式及电流方向“显而易见”。

(2)利用1个三档拨动开关一键控制电流的通断、电流方向的改变以及通电螺线管磁场N极、实现S极光源的轮流转换。

(3)内置充电电源,免去外接电线的麻烦。演示清晰明了,学生易懂易学。