程 柏

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第七師高級中學 新疆 伊犁 833200)

(收稿日期：2016-05-09)

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新型楞次定律閃光演示儀

程 柏

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第七師高級中學 新疆 伊犁 833200)

(收稿日期：2016-05-09)

楞次定律表述感應(yīng)電流的方向十分抽象，規(guī)律十分隱蔽，直接通過教材里的“螺線管四組實驗”很難會想到利用“中介”——感應(yīng)電流的磁場來揭示規(guī)律，并且實驗中沒能將“中介”方向直觀地顯示出來，這對于學生理解感應(yīng)電流的磁場與引起感應(yīng)電流的磁通量變化之間的關(guān)系帶來認知負荷的超標，從而難以發(fā)現(xiàn)或者描述其中的規(guī)律.為此，筆者特別制作了教具——新型楞次定律閃光演示儀，通過延長發(fā)光二極管閃光時間，引發(fā)學生的視覺享受，直觀地展現(xiàn)“增反減同”的規(guī)律，迅速突破“表述”的難點，同時極大提高了學生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象探究的樂趣.

楞次定律 閃光 演示儀

1 演示效果

教具實物如圖1所示，新型楞次定律閃光演示儀的構(gòu)造原理，是將線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)過信號輸入電路、延時整形電路及信號放大閃光電路，激勵線圈兩側(cè)發(fā)光二極管閃光且延時1 s，通過線圈兩側(cè)閃光的紅藍不同，能直觀顯示出感應(yīng)電流的磁場極性，從而迅速判斷出和條形磁鐵磁場方向相同或相反的關(guān)系，凸顯了“阻礙”的含義，便于學生總結(jié)出“增反減同”的規(guī)律.

(a)

(b)

(c)

2 工作原理

如圖2所示，整個電路除線圈L和靈敏電流計外，可分為上、下兩個完全相同的部分.它們分別擔任磁鐵插入線圈或拔出線圈時，不同極性信號的“微安表顯示”任務(wù)與“閃光顯示”任務(wù).上下部分電路均由信號輸入電路、延時整形電路和信號放大閃光電路組成.為便于說明，電路上半部分元件，在每個元件均加了數(shù)字1，如：1R1,1C1；而下半部分每個元件符號都加了數(shù)字2，如：2R1,2C1.

演示時，先閉合開關(guān)，接通電源.當條形磁鐵N極(紅色)從線圈L的A端插入時，感應(yīng)電流由線圈L的A端側(cè)流出，一路經(jīng)過電流計到R0，再到線圈B端.電流計指針向右偏轉(zhuǎn)，顯示感應(yīng)電流的方向和大小.另一路則是經(jīng)過二極管2D1到三極管2BG2的基射極到電容2C2到電容2C1到二極管2D2到線圈B端，形成一輸入回路，這一輸入型號經(jīng)過2BG1和2BG2組成的單穩(wěn)態(tài)整形電路后，由2BG2的集電極輸出一矩形方波，通過二極管2D3和2D4耦合和三極管2BG3的放大，推動晶體管2BG4,2BG5,2BG6,2BG7導通，使得線圈A端一側(cè)的9個紅色LED二極管和線圈B端一側(cè)9個藍色二極管通電發(fā)光1 s，借以顯示此時感應(yīng)電流的磁場與磁鐵的磁場方向相反的關(guān)系.

同理，當條形磁鐵N極從線圈L中抽出時，感應(yīng)電流由線圈L的B端流出，一路經(jīng)過R0到電流計，回到線圈A端，電流計的指針向左偏轉(zhuǎn)，顯示感應(yīng)電流的大小和方向.另一路則經(jīng)過二極管1D1到三極管1BG2的基射極到電容1C2到電容1C1到二極管1D2到線圈A端，形成一輸入回路，這一輸入型號經(jīng)過1BG1和1BG2組成的單穩(wěn)態(tài)整形電路后，由1BG2的集電極輸出一矩形方波，通過二極管1D3和1D4耦合和三極管1BG3的放大，推動晶體管1BG4,1BG5,1BG6,1BG7導通，使得線圈A端一側(cè)的9個藍色LED二極管和線圈B端一側(cè)9個紅色二極管通電發(fā)光1 s，借以顯示此時感應(yīng)電流的磁場與磁鐵的磁場方向相同的關(guān)系.同理可演示S極插入和拔出情況，或從B端插入拔出情況.

圖2 電路圖

以上正是教師講解楞次定律時，需要學生直觀感覺的重點演示現(xiàn)象，學生從而深刻感悟到“中介”——感應(yīng)電流的磁場的引入對研究及表述規(guī)律(感應(yīng)電流的方向特點)方便的巧妙，迅速突破楞次定律的“阻礙”內(nèi)涵這一重難點.這既方便了教師講解，又能引發(fā)學生的視覺享受，從而激發(fā)濃厚的探究興趣，提高了教學效果.

3 組裝結(jié)構(gòu)

如圖3所示，在線圈中插入鋁塑管，左右兩側(cè)各套兩個半透明、裝茶葉的圓柱盒，內(nèi)置紅藍發(fā)光二極管，放置在凹型支架上；塑料管前后各粘一小圓柱形釹鐵硼磁鐵，做成圓柱形磁鐵可自由在兩側(cè)圓柱盒內(nèi)插拔，引發(fā)閃光；各線圈紅黑兩個接線柱置于綠色方形底座盒上，便于觀察左側(cè)的靈敏電流計.

(a)

(b)

(c)

圖4是演示儀外形圖,線圈線路以及延時整形電路及信號放大閃光電路均隱藏在底座盒內(nèi)，盒面上有電源開關(guān)及對應(yīng)工作指示燈.整個電路在靜態(tài)時，工作電流約為10 mA，如用大號干電池，能工作很長時間，可謂經(jīng)濟耐用.整體結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)固，容易自制，實驗現(xiàn)象顯著，課堂實踐效果好.

圖4 演示儀外形圖