湯　廷，代　偉，段晨靚，李　青，肖貴臏

(西華師范大學(xué),四川 南充　637002)

交流電大小、方向變化演示儀

湯廷，代偉，段晨靚，李青，肖貴臏

(西華師范大學(xué),四川 南充637002)

摘 要：針對教科版高中物理演示交變電流的實驗儀器存在的一些不足，對交流電大小變化的演示實驗裝置進行了改進，方法是利用滿天星激光筆將原儀器看不見摸不著的磁感線用清晰可見的光點直觀地展示出來。為了觀察交變電流方向的變化則將兩只紅、綠發(fā)光二極管并聯(lián)在線圈閉合回路中，利用紅、綠發(fā)光二極管交替發(fā)光來演示電流方向變化，另外將大指針檢流計串聯(lián)在閉合線圈回路中來演示線圈切割磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小呈周期性變化。

關(guān)鍵詞：交變電流；磁感線；激光筆；二極管；檢流計；演示儀

交變電流及與之相關(guān)的問題是當(dāng)今高考的重點同時也是學(xué)生極易混淆的難點，因此通過實驗探究交流電大小、方向變化得出交流電變化規(guī)律就顯得更為重要，而教科版選修3-2物理第二章第一節(jié)[1]用手搖發(fā)電機探究“交變電流大小和方向”其現(xiàn)象觀察存在一些不足。新設(shè)計的交流電大小、方向變化演示儀與原有的手搖發(fā)電機相比有兩個明顯的優(yōu)點：一是該演示儀用“滿天星”激光筆模擬穿個線圈的磁感線，進而可以直觀的觀察線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時通過線圈磁通量的變化，根據(jù)磁通量的變化由楞次定律便可以判斷感應(yīng)電流的方向；二是在電路中并聯(lián)接入兩組反向并聯(lián)的紅、綠發(fā)光二極管，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動時能清晰地看到二極管交替發(fā)光說明線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向呈周期變化。

1原測量裝置的不足

(1)磁感線是看不見、摸不著、不易觀察、比較抽象的概念，原裝置用蹄形磁鐵產(chǎn)生磁場，在學(xué)習(xí)判斷磁感線的方向及大小的基礎(chǔ)上學(xué)生只能抽象地判斷線圈中磁通量的變化，再根據(jù)楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向。

(2)原裝置用小燈泡來檢測感應(yīng)電流的大小和方向的變化，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動較快時看不出感應(yīng)電流的大小變化，轉(zhuǎn)動較慢時或者磁性不強效果又不明顯。

(3)原裝置看不到感應(yīng)電流方向的變化規(guī)律。

2交流電大小變化演示儀的改進

2.1交流電大小、方向變化演示儀的實驗原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律可知，當(dāng)線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動時，穿過閉合線圈的磁通量會周期性的變化，從而產(chǎn)生大小和方向周期性變化的感應(yīng)電流且感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。改進的演示儀器正好利用了這一定律，使線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，便可以得到交變電流。

圖1　線圈切割磁場剖面圖

圖2　感應(yīng)電動勢、電流、電壓波形圖

由圖1可知，若線圈從中性面開始計時線圈切割磁力線則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流為：

e=N·2Blvsinωt=Em·sinωt=NBSωsin2πft

電流的瞬時值：i=e/R總=(Em/R總)·sinωt=Im·sinωt

電壓的瞬時值：u=I·R=ImRinωt=Umsinωt

電動勢、電流、電壓都隨時間按正弦規(guī)律變化，變化規(guī)律如圖2所示。

2.2改進后的交流電大小、方向變化演示實驗裝置整體結(jié)構(gòu)及制作方法

(1)演示儀整體結(jié)構(gòu)如圖3所示

圖3　演示儀整體結(jié)構(gòu)如圖

(2)儀器制作方法：將8塊長50 mm寬10 mm厚5 mm長方形強力磁石按極性粘貼在塑料支架上用來模擬勻強磁場。在塑料線圈骨架上將0.3 mm的漆包線繞1000匝做成矩形線圈，線圈兩端通過集電環(huán)與兩組反向并聯(lián)的紅、綠發(fā)光二極管串聯(lián)，二極管旁邊預(yù)留兩個接線柱便于接入檢流計，在線圈上鋪上白紙并用“A、B、C、D”標(biāo)注線圈的四個角上[2](判斷電流方向用)，線圈與轉(zhuǎn)軸、集電環(huán)、電刷、軸承組裝好后放在強磁鐵的中間；在儀器的最右邊用塑料支架支撐滿天星激光筆，當(dāng)線圈垂直于水平面時保證光點均勻地打在線圈中間的白紙上，演示時用滿天星激光筆打在白紙上光點的多少來模擬線圈中磁通量的變化，這樣便把不可見的磁場用看得見的光點形象直觀的表示出來。

2.3演示儀的使用

(1)強磁鐵9產(chǎn)生一個近似的勻強磁場，用手勻速轉(zhuǎn)動線圈轉(zhuǎn)軸，發(fā)現(xiàn)反向并聯(lián)接入線圈中的紅、綠發(fā)光二極管交替發(fā)光現(xiàn)象如圖4、圖5所示，此現(xiàn)象能形象直觀地說明在閉合線圈轉(zhuǎn)動過程中線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向呈周期性變化，也可按照楞次定律來進行分析得出線圈中感應(yīng)電動勢方向呈周期性變化，說明實驗現(xiàn)象與理論分析一致。

圖4　反向電流方向演示

圖5　正向電流方向演示

(2)將接線柱6的兩端接入大型檢流計，使閉合線圈緩慢勻速轉(zhuǎn)動，發(fā)現(xiàn)檢流計的指針在零刻度線兩邊左右來回擺動如圖6、圖7所示， 說明閉合線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流不僅方向周期性變化而且電流的大小也周期性變化，這比用小燈泡來判斷線圈中電流的大小呈周期性變化現(xiàn)象直觀得多。

圖6　反向電流大小演示

圖7　正向電流大小演示

(3)打開滿天星激光筆8模擬勻強磁場的磁感線,當(dāng)線圈勻速轉(zhuǎn)動時，用打在白紙上激光點的點數(shù)多少變化表示穿過閉合線圈的磁通量的變化，如圖8所示,根據(jù)楞次定律就能輕松地判斷出感應(yīng)電流的方向。

圖8　穿過閉合線圈的磁通量的變化演示

2.4流電大小、方向演示儀的優(yōu)點

(1)新課標(biāo)明確提出通過實驗教學(xué)使學(xué)生掌握一定的基本實驗知識技能，了解科學(xué)研究的方法，體驗科學(xué)探究的過程，增強自我的創(chuàng)新意識和實踐能力[3-4]。該實驗儀器在高中課本的實驗上進行改造，來源于課本但高于課本，對培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新精神有一定的幫助。

(2)該實驗裝置用紅綠發(fā)光二極管的發(fā)光來判斷電流的方向來，使學(xué)生從視覺上更直觀地觀察到感應(yīng)電流的方向在不斷地做周期性變化，另外用檢流計代替小燈泡來檢測感應(yīng)電流的大小和方向的變化效果也明顯直觀得多。

(3)用滿天星激光筆打在線圈上就如同磁感線穿過閉合線圈，當(dāng)線圈在轉(zhuǎn)動的過程中，通過滿天星激光筆打在線圈的白紙上點數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合楞次定律運用“右手定則”就能清楚的判斷感應(yīng)電流的方向，這也是該演示儀最大的亮點。

3結(jié)論

該儀器在高中物理課本上的實驗進行改進，把抽象的概念轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛑苯佑^察的實物。在高中教學(xué)中進行演示實驗，學(xué)生能容易地理解交變電流的含義和產(chǎn)生交變電流的機制。

參考文獻：

[1]課程教材研究所，物理教材課程研究開發(fā)中心，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書.物理選修3-2[M].四川：教育科學(xué)出版社，2011.

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[4]郭俊，唐亞明.交流感應(yīng)磁懸浮演示實驗裝置的制作[J].大學(xué)物理實驗，2015(3)：70-73.

AC Demonstration Instrument Changes Size,Orientation

TANG Ting,DAI Wei,DUAN Chen-liang,LI Qing,XIAO Gui-bin

(China West Normal University,Sichuan Nanchong 637002)

Abstract：For some problems in high school physics laboratory equipment EDUCATION EDITION demonstrate the existence of alternating current,alternating current changes in the size of the paper demonstrates experimental device has been improved,method is to use a laser pointer the stars of the original instrument invisible magnetic induction line with clearly visible spot visually displayed.In order to observe changes in alternating current direction will be two red and green light-emitting diodes connected in parallel with the coil closed loop,using red,green light-emitting diode that emits light to demonstrate current direction alternately changes,in addition to large pointer galvanometer coil in series in a closed loop to demonstrate the size of the induced current in the coil cutting magnetic field generated by cyclical changes.

Key words：alternating current；magnetic line；laser；diode；galvanometer；demonstration instrument

收稿日期：2015-11-01

基金項目：西華師范大學(xué)服務(wù)基礎(chǔ)教育課改教研重點項目(403329)

文章編號：1007-2934(2016)02-0075-03

中圖分類號：G 633.7

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.020