曹 會 張 飛

(江蘇省外國語學(xué)校,江蘇 蘇州 215104)

“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”、“楞次定律”、“法拉第電磁感應(yīng)定律”是“電磁感應(yīng)”的核心內(nèi)容.這三節(jié)均是以實驗為基礎(chǔ)而總結(jié)出規(guī)律的教學(xué),所以實驗是教學(xué)成功的關(guān)鍵因素.筆者根據(jù)教學(xué)需要“量身定制”了3套實驗裝置,謹(jǐn)以此文與大家分享.

1 “探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”演示實驗

1.1 原有實驗不足

教材以“切割磁感線”的抽象化模型來說明面積的改變也可以產(chǎn)生感應(yīng)電流.筆者認(rèn)為此實驗原有“切割”結(jié)論的定勢思維已經(jīng)形成,不利于說明面積改變的這一因素.本節(jié)課課本給出的實驗裝置均無法改變閉合回路與磁場之間的角度,更無法進(jìn)一步全面綜合探究分析.

1.2 所需器材及裝置(見圖1)

圖1

純凈水桶(桶直徑約27cm)2只、漆包線(直徑0.71mm)約700m、裝修用塑料天花板50cm(可用木板代替)、滑動變阻器(50Ω)、電動自行車充電器(36V,提供較高電壓直流電,增強(qiáng)勻強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度)、兩片細(xì)木板、螺絲釘8只、寬透明膠帶、軟質(zhì)線圈、靈敏電流計、電鍵、導(dǎo)線若干.

1.3 制作要點

用鋼鋸把兩只桶從適當(dāng)處鋸開獲得如圖1所示兩段.用銼刀把鋸口打磨平整以免實驗操作時傷手,再利用兩段桶的凹槽部分(寬約8.5cm)按照同一方向纏繞漆包線,每一只桶分別纏繞4層(約400匝).為了保護(hù)漆層,每層漆包線外用寬透明膠帶纏繞一層.把繞制好的兩只大螺線管導(dǎo)線串聯(lián)起來,并用兩條細(xì)木板通過螺絲釘連接固定如圖1所示.兩段桶間留一定的距離(約15cm)以保證一只手方便操作為宜,塑料天花板鋪放在其間充當(dāng)線圈運動的操作臺.漆包線線頭均用細(xì)沙紙除去漆層.用帶鱷魚夾導(dǎo)線把電動自行車充電器正負(fù)極與圖1中兩接線頭相連.

1.4 改進(jìn)后實驗優(yōu)點

自制的兩只通電大螺線管間提供了一個較大的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,從而給操作者搭建了一個靈活探究的“舞臺”,使感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的相關(guān)因素能夠通過此磁場區(qū)域全面進(jìn)行探究.

1.5 實驗操作及應(yīng)用

(1)把電動自行車充電器、電鍵、滑動變阻器、自制大螺線管連接成回路,軟質(zhì)線圈與靈敏電流計組成另一回路.

(2)接通電源,閉合電鍵,僅把軟質(zhì)線圈沿著操作臺平移進(jìn)磁場區(qū)域過程中,發(fā)現(xiàn)有感應(yīng)電流產(chǎn)生,學(xué)生認(rèn)為此現(xiàn)象可以用“切割”理論解釋.線圈繼續(xù)進(jìn)入勻強(qiáng)磁場區(qū)域移動,沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生,切割理論解釋碰到困難,發(fā)生認(rèn)知沖突！激發(fā)學(xué)生猜想:感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁場變化有關(guān).然后再斷開、閉合電鍵或者改變滑動變阻器阻值來驗證猜想.

(3)閉合電鍵,保持自制大螺線管中電流不變,則勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度不變.只改變軟質(zhì)線圈面積,發(fā)現(xiàn)也會有感應(yīng)電流,得到結(jié)論:閉合線圈的面積變化也可以引起感應(yīng)電流.進(jìn)而轉(zhuǎn)動線圈實現(xiàn)線圈平面與磁場之間角度的改變,也有感應(yīng)電流產(chǎn)生.

總結(jié)以上結(jié)論發(fā)現(xiàn):以上3個因素均是導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化的誘因,進(jìn)而得出最終結(jié)論.

2 “楞次定律”中的“來拒去留”實驗

2.1 原有實驗不足

圖2

“楞次定律”教材課后習(xí)題第6題的小實驗如圖2所示.此實驗“來拒去留”現(xiàn)象較好地詮釋了楞次定律的正確性,但筆者發(fā)現(xiàn)若采用磁性較弱的磁鐵實驗時,因阻力作用及加速度較小等因素不會出現(xiàn)明顯的“來拒去留”現(xiàn)象,輕微的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象很容易被學(xué)生誤解為手拿磁鐵運動引起空氣流動導(dǎo)致.若采用強(qiáng)磁鐵(釹磁鐵)進(jìn)行實驗時,則會意外發(fā)現(xiàn)不閉合鋁環(huán)也會出現(xiàn)“來拒去留”的現(xiàn)象,主要原因是實驗室成品儀器鋁環(huán)厚度較大,容易產(chǎn)生渦流,從而產(chǎn)生上述現(xiàn)象.

2.2 所需器材及裝置(見圖3)

圖3

鋁質(zhì)“易拉罐”2只,輕質(zhì)吸管,透明膠帶,鉛筆(或圓珠筆),強(qiáng)磁鐵(釹磁鐵).

2.3 制作要點

用剪刀把一只“易拉罐”裁剪出寬約1cm兩截鋁環(huán),用細(xì)沙紙把邊沿打磨平整,用膠帶把兩只鋁環(huán)固定在吸管兩端,其中一只鋁環(huán)剪斷成不閉合鋁環(huán).用電烙鐵尖端輕輕的在吸管中點位置點出一個稍比圓珠筆頭大點的孔(注意不要把小孔對著的吸管壁弄破),把鉛筆(或圓珠筆)筆尖插入小孔倒立插入另一只“易拉罐”中,并調(diào)整筆桿保持豎直穩(wěn)定.

2.4 改進(jìn)后實驗優(yōu)點

此裝置取材方便,制作簡單,可以讓學(xué)生課前每人制作一套器材進(jìn)行學(xué)生實驗,鉛筆(圓珠筆)筆尖與吸管壁間摩擦較小,利用“易拉罐”所做的鋁環(huán)及吸管質(zhì)量較輕,產(chǎn)生加速度較大.鋁環(huán)較薄減弱渦流發(fā)生而避免不閉合鋁環(huán)出現(xiàn)“來拒去留”的現(xiàn)象.

2.5 實驗操作及應(yīng)用

(1)磁鐵靠近和遠(yuǎn)離不閉合鋁環(huán),沒有任何現(xiàn)象產(chǎn)生,說明無感應(yīng)電流產(chǎn)生,磁鐵與鋁環(huán)間無相互作用.

(2)磁鐵靠近和遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán),有“來拒去留”現(xiàn)象,是什么原因造成的呢？激發(fā)了學(xué)生討論:閉合鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,感應(yīng)電流產(chǎn)生了感應(yīng)磁場,感應(yīng)磁場與原磁場間產(chǎn)生了力的作用.當(dāng)靠近時相互排斥,則說明感應(yīng)磁場與原磁場方向相反,阻礙了鋁環(huán)中磁通量的增加;當(dāng)遠(yuǎn)離時相互吸引,則說明感應(yīng)磁場與原磁場方向相同,阻礙了鋁環(huán)中磁通量的減少,進(jìn)一步總結(jié)出感應(yīng)磁場與原磁場間“增反減同”的本質(zhì).

3 “法拉第電磁感應(yīng)定律”演示實驗

3.1 原有實驗不足

“法拉第電磁感應(yīng)定律”課堂教學(xué)中,需要演示感應(yīng)電動勢與磁通量變化量、感應(yīng)電動勢與磁通量變化時間之間的定性關(guān)系.筆者用教材中“楞次定律”的實驗重做演示實驗時發(fā)現(xiàn):無法準(zhǔn)確控制磁通量變化量一定和變化時間一定,教師隨意性的實驗演示缺乏規(guī)范性,在此基礎(chǔ)上的推理缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性.

3.2 所需器材及裝置(見圖4)

圖4

可拆卸變壓器線圈1只,教師用木制三角板,開口有底的透明白酒塑料包裝盒(以下簡稱“包裝盒”),條形磁鐵,寬透明膠帶,靈敏電流計,導(dǎo)線2根.

3.3 制作要點

用寬透明膠帶把線圈固定在三角板的直角端點處,用導(dǎo)線把靈敏電流計與線圈連接好,把三角板的另一端搭在鐵架臺支架上即可.

3.4 改進(jìn)后實驗優(yōu)點

此實驗具有取材方便、操作簡單、現(xiàn)象明顯、課堂耗時短等特點.利用裝置可以控制磁通量定量改變,改變?nèi)前迮c桌面間角度,就可以達(dá)到改變磁鐵運動時間的目的,規(guī)避了原來手拿磁鐵直接插入螺線管隨意性的缺點.

3.5 實驗操作及應(yīng)用

(1)用膠帶把包裝盒固定在三角板的長直角邊上,條形磁鐵放在有底的包裝盒內(nèi),控制磁鐵每次在盒內(nèi)下滑的起點不變(保證磁通量變化一定),改變?nèi)前迮c桌面之間的角度(保證下滑時間改變),觀察電流計偏轉(zhuǎn)的最大角度.實驗發(fā)現(xiàn),三角板與桌面之間角度越大,磁鐵下滑越快,感應(yīng)電流越大.

(2)三角板與桌面之間的角度固定不變(下滑時間固定,磁鐵與線圈間的作用力變化的影響可忽略不計),改變包裝盒相對線圈的位置,控制磁鐵每次在盒內(nèi)下滑的起點不變,從而改變磁通量變化的大小(如圖5,選取條形磁鐵磁感線軸向分布的不同階段的相同距離,線圈中磁通量變化不同).觀察電流計偏轉(zhuǎn)的最大角度,發(fā)現(xiàn)包裝盒離線圈越近時,磁鐵運動相同位移情況下,線圈平面內(nèi)磁通量變化越大,感應(yīng)電流越大.

圖5

(3)僅改變線圈的接入匝數(shù),觀察電流計偏轉(zhuǎn)的最大角度,發(fā)現(xiàn)接入匝數(shù)越多,感應(yīng)電流越大.

總結(jié)以上三個控制變量法得出的結(jié)論,可以定性得出感應(yīng)電動勢與磁通量變化率及匝數(shù)之間的關(guān)系.