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        基于DISLab的楞次定律創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2015-08-18 10:57:17楊青華張振孔慶
        物理教學(xué)探討 2015年6期
        關(guān)鍵詞:楞次定律創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

        楊青華 張振 孔慶

        摘 要:利用DISLab對(duì)楞次定律演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新,由線圈的“來拒去留”現(xiàn)象直接得出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,進(jìn)而總結(jié)出楞次定律的內(nèi)容。

        關(guān)鍵詞:DISLab;微電流傳感器;楞次定律;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

        中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2015)6-0054-2

        DISLab的全稱是數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Digital Information System Laboratory),是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。DISLab將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過傳感器采集實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示在電腦上,并利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。DISLab配備有力、磁、光電、位移、溫度、電壓、電流、微電流等多種傳感器?;贒ISLab的優(yōu)越性,研究工作者已在物理教學(xué)中做了大量的探索研究[1-3]。本文利用DISLab中的微電流傳感器設(shè)計(jì)楞次定律實(shí)驗(yàn)。

        “楞次定律”是高中物理電磁學(xué)部分的重要內(nèi)容,也是高中教學(xué)的難點(diǎn)。人教版高中物理選修3-2《楞次定律》一節(jié),從條形磁鐵相對(duì)螺線管運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生將“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”作為“中介”,通過填表比較,歸納出楞次定律的表述:“感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”[3]。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),涉及原磁場(chǎng)的方向、感應(yīng)電流方向、線圈繞向、感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向、磁場(chǎng)的變化方向等諸多要素。對(duì)此,筆者認(rèn)為,該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象多,過程復(fù)雜,其邏輯關(guān)系使學(xué)生在認(rèn)識(shí)上感到相當(dāng)困惑。

        本文利用“來拒去留”現(xiàn)象設(shè)計(jì)楞次定律實(shí)驗(yàn),并加入微電流傳感器這一儀器,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接反應(yīng)“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”,從而歸納總結(jié)出楞次定律。

        1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

        線圈與微電流傳感器串聯(lián),用釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵靠近或離開可靈活移動(dòng)的線圈時(shí),線圈中感應(yīng)電流激發(fā)的磁場(chǎng)由于阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化,迫使線圈跟隨磁鐵同向運(yùn)動(dòng),形成“來拒去留”的現(xiàn)象,根據(jù)磁極間相互作用的規(guī)律,直接判斷感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向;而微電流傳感器在電腦屏幕上可以清楚地顯示感應(yīng)電流的大小和方向,從而很直觀地判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向之間的關(guān)系,分析出感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起感應(yīng)電流磁通量的變化。

        2 實(shí)驗(yàn)材料

        微電流傳感器1只,數(shù)據(jù)線1根,電腦1臺(tái),7 cm*5 cm*1.2 cm釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵1塊,塑料泡沫1塊,直徑0.5 mm的漆包線,中性筆芯等。

        3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

        連接電路:將微電流傳感器與線圈串聯(lián),接入電腦。同時(shí),把載有線圈的泡沫塊放在中性筆芯上,以減小摩擦阻力,實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

        實(shí)驗(yàn):打開電腦中的微電流傳感器實(shí)驗(yàn)采集模板,點(diǎn)擊開始,同時(shí)把磁鐵由遠(yuǎn)及近快速推向線圈(不與線圈接觸),可以看到線圈跟隨磁鐵同向運(yùn)動(dòng)。已知靠近線圈一端的磁鐵極性是N極,而線圈向遠(yuǎn)離磁鐵的方向運(yùn)動(dòng),線圈與磁鐵相互排斥,說明線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生了磁場(chǎng),并且線圈的右側(cè)是N極。

        我們接著分析感應(yīng)電流磁場(chǎng)的作用,當(dāng)磁鐵靠近線圈時(shí),線圈中的磁通量增加,而感應(yīng)電流的磁場(chǎng)又與近端的磁鐵的磁場(chǎng)方向相反,故感應(yīng)電流的磁場(chǎng)是阻礙原磁通量的增加。

        我們?cè)賮矸治鼍€圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流,通過微電流傳感器在電腦屏幕上的顯示,可以看到,線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向水平向右,根據(jù)右手螺旋定則判斷出感應(yīng)電流的方向是順時(shí)針,觀察微電流傳感器在電腦屏幕上的顯示,如圖2所示,電流方向在y坐標(biāo)軸下方。因此,利用微電流傳感器可以驗(yàn)證感應(yīng)電流的方向。

        再次,打開微電流傳感器實(shí)驗(yàn)采集模板,當(dāng)磁鐵快速地遠(yuǎn)離線圈時(shí),可以看到,線圈跟隨磁鐵一起運(yùn)動(dòng),而靠近線圈一端的磁鐵極性是N極,故線圈右側(cè)是S極,線圈磁場(chǎng)的方向是水平向左。

        我們接著分析感應(yīng)電流磁場(chǎng)的作用,當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離線圈時(shí),線圈中的磁通量減少,而感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與近端的磁鐵的磁場(chǎng)方向都是水平向左,故感應(yīng)電流的磁場(chǎng)是阻礙原磁通量的減少。

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,通過微電流傳感器在電腦屏幕上的顯示,可以看到,線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。由于感應(yīng)電流的磁場(chǎng)水平向左,根據(jù)右手螺旋定則判斷出感應(yīng)電流的方向是逆時(shí)針,故電流方向在y坐標(biāo)軸上方,如圖3 所示,同樣可以驗(yàn)證感應(yīng)電流的方向是正確的。

        分析、綜合上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,可得出楞次定律:感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

        4 實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)

        1)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比,該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,線圈的運(yùn)動(dòng)這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象既直觀又具有很強(qiáng)的可視性,通過線圈的“來拒去留”現(xiàn)象,就直接判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,進(jìn)而總結(jié)出“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”。

        2)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都是利用磁鐵插入和拔出線圈的實(shí)驗(yàn)方法,這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)借助“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這一中介,讓學(xué)生通過觀察感應(yīng)電流的方向和線圈中磁通量的變化情況去判斷感應(yīng)磁場(chǎng)的方向,而又總結(jié)出由感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向去判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律,思維上要間接地轉(zhuǎn)換,才能確定感應(yīng)電流的方向。

        3)本實(shí)驗(yàn)利用微電流傳感器,能方便地采集到微小感應(yīng)電流,在電腦屏幕上顯示感應(yīng)電流的大小和方向,便于數(shù)據(jù)分析,這是一般電磁式儀表無法達(dá)到的。

        5 總 結(jié)

        利用DISLab對(duì)楞次定律演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究,能夠直觀清晰地看出線圈中感應(yīng)電流的大小和方向。通過線圈的運(yùn)動(dòng)情況,直接判斷出線圈中感應(yīng)磁場(chǎng)的方向,使得教學(xué)過程簡(jiǎn)單直觀。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王柏廬.走進(jìn)中學(xué)IT教學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003.

        [2]譚紅,陳曉莉.DISLab在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討,2008,(13):12.

        [3]金文銳,陳彩榮,包國速,等.基于DISLab的電容器充放電現(xiàn)象探究[J].物理教學(xué)探討,2014,(7):39.

        (欄目編輯 王柏廬)

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