蘇 縵 熊建文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

自制楞次定律方向指示儀

蘇 縵 熊建文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

楞次定律這一節(jié)課對(duì)感應(yīng)電流方向的判斷要求很高，學(xué)生較難通過(guò)現(xiàn)行教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)感應(yīng)電流方向進(jìn)行直觀判斷．為此，筆者通過(guò)自制教具，使學(xué)生能在磁通量變化過(guò)程中直觀地觀察線圈中感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場(chǎng)方向，使楞次定律在學(xué)生思維信息加工過(guò)程中更容易被概括．

楞次定律 方向指示儀 實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行各種版本的教材中，對(duì)楞次定律的演示實(shí)驗(yàn)都是利用磁鐵插入、拔出閉合線圈的方法，通過(guò)記錄線圈中感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場(chǎng)方向，由此歸納出楞次定律．但是在演示過(guò)程中，學(xué)生對(duì)線圈中感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場(chǎng)方向的準(zhǔn)確判斷還存在一定難度．電流方向的觀察要處理好檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向的關(guān)系、線圈繞向與電流方向的關(guān)系[1]．雖然學(xué)生對(duì)右手定則是較熟悉的，但是磁場(chǎng)方向的判斷是以電流方向?yàn)榛A(chǔ)的，又是較為抽象的，這也造成了學(xué)生判斷感應(yīng)磁場(chǎng)方向的困難．因此，學(xué)生較難通過(guò)現(xiàn)行教材中的實(shí)驗(yàn)操作對(duì)楞次定律進(jìn)行正確歸納．

為了更好地進(jìn)行教學(xué)，筆者自制了一個(gè)能指示閉合線圈中電流方向和磁場(chǎng)方向的指示儀，為演示實(shí)驗(yàn)提供了感性材料，使楞次定律在學(xué)生思維信息加工過(guò)程中更容易被概括．

1 指示儀的原理

本指示儀利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)指示線圈中交替變化的電流方向[2]，考慮到線圈產(chǎn)生的電流較小，所以筆者在電路中接入運(yùn)算放大器(置于裝置后面)將電流放大，制作了鏤空的箭頭形狀，再將紅、藍(lán)兩種發(fā)光二極管分別放入箭頭進(jìn)行點(diǎn)亮，生動(dòng)地模擬了感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場(chǎng)方向．

如圖1所示，面板上有一個(gè)帶有線圈的電路圖，下面小車上裝有實(shí)物的線圈⑤．當(dāng)改變閉合線圈中的磁通量時(shí)，面板上紅色箭頭①指示了線圈中感應(yīng)電流的方向,藍(lán)色箭頭③指示了對(duì)應(yīng)的感應(yīng)磁場(chǎng)方向．同時(shí)，小車與磁鐵的“不離不棄”能使學(xué)生對(duì)楞次定律中的“阻礙”作用獲得形象具體的認(rèn)識(shí)．

圖1 方向指示儀實(shí)物圖

2 指示儀的制作

2.1發(fā)光面板的制作

取一個(gè)長(zhǎng)35 cm，寬30 cm的薄木板，在木板上雕刻出18個(gè)鏤空的箭頭(粗1 cm)即圖1中的①③．分別將5 mm紅色、藍(lán)色的發(fā)光二極管并聯(lián)接入如圖2的放大電路中，再將連接好的發(fā)光二極管分別放入鏤空的箭頭里面．取一張與面板同樣大小的白紙，用黑色水筆在中間畫出一個(gè)線圈的電路圖，即圖1中的②．將畫有電路圖的白紙固定在面板的正面以擋住后面鏤空的箭頭．

圖2 發(fā)光面板的內(nèi)部電路圖

2.2底座框架的制作

用長(zhǎng)40 cm，寬10 cm的木板作為底座．把木板豎直地固定在底座上，形成高35 cm，寬30 cm的框架，再把做好的面板豎直固定在框架里面[3]．

2.3小車的制作

取長(zhǎng)12 cm，寬7 cm的kt板和透明板作為小車的底部，用兩根直徑為2 mm的木棍作為車軸用小圓筒固定在底部，再裝上4個(gè)半徑為1 cm的輪子．小車的中間固定漆包線(厚0.7 mm)繞成的線圈(約1 500匝)．

2.4原磁場(chǎng)的制作

用2個(gè)圓柱形欽鐵硼磁鐵(D50×30 mm)組成的強(qiáng)磁體，用紅、藍(lán)色的紙皮包在強(qiáng)磁鐵的表面，藍(lán)色一端是S極，紅色一端是N極．根據(jù)初中所學(xué)知識(shí)，可知磁體場(chǎng)內(nèi)部磁場(chǎng)方向是從S極到N極，再用白紙皮做成一個(gè)長(zhǎng)30 mm的箭頭并固定在磁鐵上以表示原磁場(chǎng)的方向．

3 楞次定律演示實(shí)驗(yàn)

如圖3所示，閉合裝置后面的開關(guān)，將磁鐵N極插入線圈時(shí)，導(dǎo)線上紅色箭頭指示了線圈電流的方向是逆時(shí)針的，線圈周圍的藍(lán)色箭頭指示了磁場(chǎng)的方向是向左的，對(duì)比原磁鐵上面的白色箭頭可知：感應(yīng)磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反．當(dāng)磁鐵N極拔出線圈時(shí)(圖4)，此時(shí)感應(yīng)電流的方向是順時(shí)針的，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向是向右的，感應(yīng)磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同．當(dāng)用S極插入或拔出線圈時(shí)，出現(xiàn)的現(xiàn)象則相反(圖略)．

圖3 磁鐵N極插進(jìn)線圈

圖4 磁鐵N極拔出線圈

在磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生觀察記錄感應(yīng)電流方向、感應(yīng)磁場(chǎng)方向以及感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)之間的關(guān)系(表1)，對(duì)多變的物理現(xiàn)象建立起內(nèi)在的、本質(zhì)的聯(lián)系，最后準(zhǔn)確地表述楞次定律．

表1實(shí)驗(yàn)觀察記錄

磁鐵的運(yùn)動(dòng)磁通量的變化感應(yīng)磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向的關(guān)系線圈中感應(yīng)電流的方向結(jié) 論插入N極S極增加相反逆時(shí)針相反順時(shí)針 磁通量增加時(shí),感應(yīng)磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反拔出N極S極減少相同順時(shí)針相同逆時(shí)針 磁通量減少時(shí),感應(yīng)磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同

4 指示儀的特點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯直觀．學(xué)生初中學(xué)習(xí)電流時(shí)，是在導(dǎo)線上面畫出箭頭來(lái)表示電流流向，本指示儀同樣用箭頭來(lái)表示電流方向，符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)．藍(lán)色發(fā)光箭頭制作成弧線生動(dòng)形象地模擬了磁場(chǎng)方向，為學(xué)生理解楞次定律提供感性材料，更能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

(2)簡(jiǎn)化了演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化了教材演示實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)問(wèn)題：一是判斷檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)方向、感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場(chǎng)方向的關(guān)系；二是總結(jié)原磁通量變化與感應(yīng)磁場(chǎng)的關(guān)系．使用此裝置解決了本實(shí)驗(yàn)較難的問(wèn)題，使楞次定律在學(xué)生思維信息加工過(guò)程中更容易被概括．

1 沈文炳. 基于認(rèn)知負(fù)荷理論的“楞次定律”教學(xué).物理教學(xué)探討,2012(08):74～77

2 鄒漪,彭振中. 自制發(fā)光楞次定律演示儀. 物理教師,2016(06):51～53

3 朱向陽(yáng),施朝群. “楞次定律”教學(xué)探討與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).物理實(shí)驗(yàn),2010(06):20～22

蘇縵(1993- )，女，在讀研究生，專業(yè)方向：學(xué)科教學(xué)(物理).

指導(dǎo)教師：熊建文(1962- )，男，教授，研究方向：物理理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

2017-03-02)