肖 永

(宿遷高等師范學(xué)校,江蘇 宿遷 223800)

·實(shí)驗(yàn)研究·

家用電磁爐在物理演示實(shí)驗(yàn)中的巧用

肖 永

(宿遷高等師范學(xué)校,江蘇 宿遷 223800)

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),在物理教學(xué)中利用日常用品做物理演示實(shí)驗(yàn),不僅能體現(xiàn)“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的課程理念,而且可以增進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)科的親近感,提高學(xué)生的參與程度,提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和探究能力.本文用常見的電磁爐演示電磁感應(yīng)現(xiàn)象,讓物理真正走進(jìn)學(xué)生的生活,讓他們感受物理就在自己的身邊.

電磁爐;演示實(shí)驗(yàn);電磁感應(yīng)

電磁爐是家庭必備廚具,是利用電磁感應(yīng)原理制成的高效節(jié)能烹飪器具.電磁爐是由高頻感應(yīng)線圈(勵(lì)磁線圈)、高頻電流轉(zhuǎn)換電路、控制電路及鐵磁性鍋底炊具組成,其工作原理是:先將220V、50Hz的交流電經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換為310V直流電,再經(jīng)過LC振蕩電路轉(zhuǎn)換為15kHz～30kHz的高頻交流電,高頻交流電通過電磁爐陶瓷板下方的扁平螺旋狀的環(huán)形線圈形成高頻交流磁場,該磁場的磁感應(yīng)線穿透上方的陶瓷平板后,若作用于平底鐵質(zhì)鍋具,會(huì)產(chǎn)生渦流,高速發(fā)熱，以達(dá)到加熱食品的目的.

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，高頻交變電流的磁場若作用于線圈，便能在線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢,將其電壓輸出，能達(dá)到向外供電的目的.若作用于輕質(zhì)銅環(huán)、鋁環(huán)，便能在其中產(chǎn)生渦流,對外顯示渦流的力效應(yīng).筆者利用電磁爐勵(lì)磁線圈能提供交變磁場的功能,開發(fā)了電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn),不僅解決了現(xiàn)有器材難于滿足教學(xué)要求的問題,而且能有效地提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)及創(chuàng)新意識(shí).

我們在生活中使用的電磁爐具有多重保護(hù)功能,比如有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、防干燒保護(hù)、鍋具檢測保護(hù)等.如果在電磁爐上不放鍋具,電磁爐就不能正常工作,并發(fā)出無鍋具報(bào)警，我們的實(shí)驗(yàn)就無法進(jìn)行.為了能讓實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行,筆者在實(shí)驗(yàn)中用了一塊12×15厘米的鐵板來代替鍋具,這樣就可以“欺騙”電磁爐,讓它能夠檢測到鍋具,從而不讓其鍋具檢測保護(hù)電路工作，讓實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)行,電磁爐就成了我們高頻交變磁場的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

實(shí)驗(yàn)材料:電磁爐，LED燈泡，40W白熾燈泡，40W日光燈管，易拉罐，鐵板，J2423型可拆變壓器，楞次定律演示器.

實(shí)驗(yàn)一:用電磁爐點(diǎn)亮LED、白熾燈泡、日光燈管

圖1

(1) 如圖1所示，首先將LED與1-2匝線圈連接,將其放置到電磁爐的臺(tái)面上,并將鐵板放在中間,開啟電磁爐,可以看到鐵板在被加熱的同時(shí),LED發(fā)光.實(shí)驗(yàn)告訴我們電磁爐產(chǎn)生的高頻交變磁場穿過了閉合的含LED電路,使穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化,因此產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光.

(2) 如果將LED換成40W白熾燈泡,并換用可拆變壓器的副線圈(400-500匝),兩者串聯(lián)起來形成閉合回路.重復(fù)以上實(shí)驗(yàn),可以看到白熾燈泡完全可以被點(diǎn)亮.實(shí)驗(yàn)時(shí)如果將一根鋁制管材插到線圈中,可以觀察到LED或白熾燈泡將會(huì)有所變暗,這說明鋁制材料是非鐵磁性材料.如果實(shí)驗(yàn)時(shí)在電磁爐臺(tái)面與線圈之間放置一塊薄的金屬鋁板,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)LED或白熾燈泡將完全熄滅,這說明鋁制金屬板對電磁場有一定的屏蔽作用.

(3) 我們還可以將上面實(shí)驗(yàn)中的40W燈泡換成平時(shí)我們常用的日光燈管,接到可拆變壓器的原線圈(1500匝)上,開啟電磁爐同樣可以看到日光燈管被點(diǎn)亮,說明電磁爐工作時(shí)產(chǎn)生的交變磁場在線圈中產(chǎn)生了很高的交流電壓，驅(qū)動(dòng)日光燈管發(fā)光.

實(shí)驗(yàn)二:用電磁爐驗(yàn)證楞次定律

圖2

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,首先將鐵板放置在電磁爐的灶臺(tái)面板上的一側(cè),再將演示變壓器中的鐵芯放置在另外一側(cè),并將條形鐵芯放置在U形鐵芯的一個(gè)立柱上面.楞次定律演示器中有一個(gè)閉合環(huán),將這個(gè)閉合環(huán)靠近鐵芯,此時(shí)給電磁爐通電并啟動(dòng)電磁爐,可以看到通電后閉合的圓環(huán)被鐵芯排斥，從而發(fā)生偏轉(zhuǎn),這是因?yàn)殡姶艩t工作時(shí)產(chǎn)生的高頻交變磁場通過鐵芯的引導(dǎo)穿過了圓環(huán),根據(jù)楞次定律，閉合環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)阻礙磁通量的變化，從而產(chǎn)生排斥.如果換上開口環(huán)而不是閉合環(huán),那么就看不到相互排斥的現(xiàn)象，因?yàn)榇藭r(shí)開口環(huán)中沒有電流.

實(shí)驗(yàn)三:用電磁爐演示渦流的力效應(yīng)

圖3

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,將鐵板放置在電磁爐灶臺(tái)上一側(cè),再將另一側(cè)放置一只鋁質(zhì)空易拉罐,然后開啟電磁爐,可以看到易拉罐會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)并快速離開電磁爐灶臺(tái)而滾落到地面.這是因?yàn)殡姶艩t產(chǎn)生的高頻交變磁場在鋁質(zhì)易拉罐中產(chǎn)生了渦流,由于高頻交變磁場對渦流又有力的作用，從而使易拉罐受力而滾落.

本實(shí)驗(yàn)中還可以在易拉罐兩側(cè)，對稱地各鉆一個(gè)小孔,用細(xì)鋼絲穿過兩孔,以此為軸讓易拉罐自由轉(zhuǎn)動(dòng),開啟電磁爐后,用手拿著鋼絲的兩端將易拉罐的一部分(不是全部)靠近電磁爐臺(tái)面,這時(shí)易拉罐會(huì)旋轉(zhuǎn)起來,而且放在不同地方時(shí)轉(zhuǎn)速不同.這是因?yàn)橐桌薜囊徊糠址胖迷陔姶艩t臺(tái)面上,鐵板減弱了電磁爐所產(chǎn)生的高頻交變磁場,易拉罐這一部分中渦流較弱,力矩較小,而沒有被遮擋的部分渦電流較強(qiáng),力矩較大，易拉罐在力矩作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng).

實(shí)驗(yàn)四:用電磁爐演示渦流的熱效應(yīng)

圖4

由于塊狀金屬內(nèi)的感應(yīng)電流,金屬盤內(nèi)的感應(yīng)電流我們看不見摸不著,可以通過電流的熱效應(yīng)(即電流通過電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱)把感應(yīng)電流呈現(xiàn)出來.將鐵板放置在電磁爐的臺(tái)面上并在鐵板上放置2-3根火柴,啟動(dòng)電磁爐,1分鐘后可以看到火柴被點(diǎn)燃.還可讓插有火柴的金屬盤靠近工作中的勵(lì)磁線圈,火柴會(huì)被點(diǎn)燃.這說明金屬盤發(fā)熱了,支持了金屬盤內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流這一觀點(diǎn).

變化的磁場穿過塊狀金屬導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流叫作渦流.通過前面實(shí)驗(yàn)得知：導(dǎo)體中有渦流時(shí)會(huì)發(fā)熱,說明渦流像其他電流一樣也具有熱效應(yīng).渦流的熱效應(yīng)在生活、生產(chǎn)中有重要的應(yīng)用,如電磁爐、真空冶煉爐都是利用渦流的熱效應(yīng)來工作的.

物理是一門來源于生活而高于生活的科學(xué),利用身邊的日常生活用品去做實(shí)驗(yàn),這對學(xué)生來說感到格外親切,可以拉近科學(xué)與生活的距離,讓學(xué)生深切地感受到科學(xué)的真實(shí)性,正確認(rèn)識(shí)科學(xué)和社會(huì)、生活的關(guān)系.

[1] 盧洲.電磁爐的簡易教學(xué)演示[J].物理教學(xué),2008,(4).

[2] 丁駿.電磁爐使用中的幾個(gè)物理問題[J].物理教學(xué)探討,2007,(3).