郝志強 高云娥 化貴圓 葛 坤 顧銀煒 劉 陽 劉晶晶

(天津商業(yè)大學理學院物理系 天津 300134)

手持式電磁感應演示儀*

郝志強 高云娥 化貴圓 葛 坤 顧銀煒 劉 陽 劉晶晶

(天津商業(yè)大學理學院物理系 天津 300134)

介紹了一種自制的電磁感應演示儀.該演示儀利用同性相斥的原理，緩沖并助推了磁鐵的往復運動，通過發(fā)光二極管可以直觀并持續(xù)地展示電磁感應現(xiàn)象.該演示儀結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶和操作.

電磁感應 楞次定律 演示實驗

電磁感應是物理學中的一類基本問題，常見的演示儀是借助運動的阻礙、電流計或發(fā)光二極管來反映電磁感應現(xiàn)象，本文介紹一種結(jié)構(gòu)和操作都簡單的手持式電磁感應演示儀，用它能夠形象直觀地演示出電磁感應現(xiàn)象，特別適合于課堂教學演示.

1 現(xiàn)有演示儀分析

電磁感應現(xiàn)象是由于回路磁通量的變化所引起的，具體表現(xiàn)為在回路中產(chǎn)生感應電流，或?qū)w(磁體)的運動受到阻礙(楞次定律).常見的電磁感應演示儀就是通過展示這兩類現(xiàn)象來幫助學生認知電磁感應現(xiàn)象的.

圖1所示為一類展示楞次定律的演示儀[1]，其主要是通過比較磁環(huán)在銅、鋁、絕緣材料這3種不同材質(zhì)圓柱上的下落速度，來展示楞次定律的內(nèi)容.優(yōu)點是結(jié)構(gòu)、操作均簡單，現(xiàn)象新奇，演示效果生動.但該現(xiàn)象是對電磁感應的間接反映，不能直觀地展現(xiàn)感應電流的特征.

圖1 楞次定律演示儀的結(jié)構(gòu)示意圖

直接展示感應電流的演示儀，又分為兩種類型：一是借助電流計的指針偏轉(zhuǎn)來演示[2]，如圖2所示.此類演示儀的優(yōu)點是現(xiàn)象容易產(chǎn)生，缺點是現(xiàn)象枯燥，且使用場所受限.二是借助發(fā)光二極管來展示感應電流[3]，如圖3所示.磁體的運動改變了回路的

磁通量，感應電流點亮發(fā)光二極管.此類演示儀的優(yōu)點是現(xiàn)象明顯，燈光是感應電流的直觀反映，還可借助燈光顏色和形狀區(qū)別感應電流的方向.但磁體運動單次單向，感應電動勢和感應電流不但弱且瞬時，增加觀察的難度，影響演示效果.如借助放大電路等設(shè)備勢必會增加裝置的復雜程度.

圖2 利用電流計的演示儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 利用LED指示燈的電磁感應演示儀的結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計方案

根據(jù)對現(xiàn)有各類演示儀的分析結(jié)果，我們將電磁感應演示儀的研制目標設(shè)定為：保留發(fā)光二極管以直觀展示實驗中產(chǎn)生的感應電流，實現(xiàn)對感應電流“可視化”；解決以往演示儀感應電流產(chǎn)生瞬時性的問題，實現(xiàn)可持續(xù)展示的實驗現(xiàn)象；方便，好操作，使用不受場地限制.

為達到上述的研制目標，我們改變了以往電磁感應演示儀的設(shè)計，儀器的結(jié)構(gòu)如圖4所示.裝置主體由一粗一細兩根透明的亞克力圓管組成，細圓管兩端外側(cè)分別纏有銅制線圈，管內(nèi)置有3塊磁鐵，兩塊磁鐵固定于細管的兩端，另一塊磁鐵可在細管內(nèi)運動，磁鐵的直徑略小于細管的直徑，各磁極取向如圖所示.粗圓管將細圓管和線圈包覆在內(nèi)，兩端封閉并在外表面安放與線圈連接的并聯(lián)雙色發(fā)光二極管.裝置實物圖如圖5所示.

圖4 手持式電磁感應演示儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 手持式電磁感應演示儀實物圖

3 演示方法及優(yōu)點

演示時，可將裝置豎直或者水平放置，雙手握緊圓管，上下或者左右晃動，細管內(nèi)的未固定磁鐵在細

管內(nèi)持續(xù)地往復運動，在靠近和遠離兩端的線圈時，線圈的磁通量發(fā)生了改變，與其連接的發(fā)光二極管將被持續(xù)地點亮.由于二極管是并聯(lián)雙色的安排，在演示的過程中可以實現(xiàn)交替閃爍的效果.由于細管兩端固定的磁鐵對運動的磁鐵具有很好的緩沖和反推作用，使得整個操作簡單省力，而且提高了整個裝置的耐用性.

該演示儀有以下3大優(yōu)點：

(1)可視化程度高.整個裝置由透明材料制成，觀察者可直觀地觀察到磁鐵的運動和裝置的結(jié)構(gòu)特點，從而認識電磁感應產(chǎn)生的原因.雙色的發(fā)光二極管是感應電流的直觀表現(xiàn)，還可以區(qū)別磁通量變化的兩種情況.

(2)現(xiàn)象持續(xù)，易于觀察.磁鐵在細管內(nèi)的往復運動，可以持續(xù)地改變細管兩端線圈內(nèi)的磁通量.

(3)結(jié)構(gòu)簡單堅固，易于操作，耐用性高.細管兩端固定的磁鐵，由于同極相斥的原因，對中間磁鐵的運動起到了緩沖和反向推力的作用，實驗時僅需輕輕晃動儀器就可使磁鐵持續(xù)地往復運動，使發(fā)光二極管持續(xù)地閃爍，來展示電磁感應現(xiàn)象.

4 結(jié)束語

本文介紹了一種新型的手持式電磁感應演示裝置.該裝置能夠?qū)﹄姶鸥袘F(xiàn)象進行直觀且持續(xù)地演示，結(jié)構(gòu)簡單成本低，牢固耐用，使用方便，不受場地的限制，特別適合課堂教學的演示.

1 南京師范大學.楞次定律演示儀：2006200718357.2007-05-16

2 多斯江·佳爾木哈買提. 驗證楞次定律的實驗儀器:2009201698316.2010-05-19

3 中國人民解放軍空軍勤務學院. 一種新型楞次定律演示儀:2014200755384,2014-09-10

4 姜洪喜,杜廣環(huán). 楞次定律演示實驗設(shè)計.物理實驗，2004，24(11):34～35

HandyElectromagneticInductionDemonstrationInstrument

HaoZhiqiangGaoYun′eHuaGuiyuanGeKunGuYinweiLiuYangLiuJingjing

(DepartmentofPhysics,SchoolofScience,TianjinUniversityofCommerce,Tianjin300134)

A kind of instrument is designed for demonstrating electromagnetic induction, which is easy to carry and operate. The reciprocation of magnet is buffered and boosted by the same poles fixed on the instrument. The phenomenon of electromagnetic induction is shown continuously and intuitively by light-emitting diodes.

electromagnetic induction;Lenz law;demonstration

*2014年天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(國家級)，項目編號：201410069051

郝志強(1977- )，男，博士，講師，主要研究方向為微納光學和物理教學.

2016-07-22)