自制“楞次定律演示儀”

王云天

楞次定律是高中物理的重點內(nèi)容，也是難點內(nèi)容，要使學生理解楞次定律，做好演示實驗是關(guān)鍵。為了提高演示實驗的效果，筆者對老師的傳統(tǒng)實驗做了改進，自制實驗教具，以幫助學生更好地掌握楞次定律。

楞次定律；演示實驗；放大電路；發(fā)光二極管

筆者是一名高中理科學生，平時很喜歡物理，楞次定律是高中物理的重點內(nèi)容，也是難點內(nèi)容。要使同學們理解楞次定律，老師做好演示實驗是關(guān)鍵。在各種版本的物理教材中大多是采用磁鐵插入和拔出線圈的演示實驗方法，通過靈敏電流計觀察感應(yīng)電流的方向，進而判斷感應(yīng)電流的磁場方向，再分析感應(yīng)電流的磁場方向和原磁場方向的關(guān)系，從而得出楞次定律。本演示實驗存在兩處困難：(1) 學生從靈敏電流計指針擺動方向轉(zhuǎn)換到線圈中感應(yīng)電流的方向存在一定的困難；(2) 實驗過程比較短暫，靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)角度較小，且由于電流表指針的慣性，容易給學生造成錯覺，影響學生對實驗現(xiàn)象的總結(jié)。

圖1

為了使演示效果更直觀明顯，筆者查閱了相關(guān)資料，做了很多的嘗試，在粵教版教材演示實驗基礎(chǔ)上做改進，實驗方案如圖1所示。

將靈敏電流計換成兩個反向并聯(lián)、顏色不同的一對發(fā)光二極管。當條形磁鐵進、出螺線管時，如果感應(yīng)電動勢足夠大，則其中一只二極管便會發(fā)光。從二極管的發(fā)光情況可以直接判斷出感應(yīng)電流的方向。這一改進可以使演示效果更為生動直觀，學生能直接看出電流的方向。但是要讓二極管發(fā)光，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢要達到2V左右。通過理論計算和動手嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)要想讓二極管在磁鐵插入、拔出瞬間發(fā)光，起碼要用直徑為1mm的漆包線在內(nèi)徑約為20mm圓筒上繞3000匝左右，而且還需用外徑與圓筒內(nèi)徑相當?shù)膹姶盆F做實驗效果才比較明顯。

圖2

筆者在老師的幫助下，最后選用運算放大器UA741，把產(chǎn)生的感應(yīng)電流放大，能達到良好的演示效果，實驗電路如圖2所示。

如圖3所示，微電流放大電路部分由一只UA741CN運算放大器及反饋電阻、保護電阻、電池組構(gòu)成，其增益大小取決于5MΩ反饋電阻與逆向輸入端的220Ω電阻的比值，因此它的理論增益為25000倍。放大電路的電源由變壓器和整流器將220V交流電轉(zhuǎn)換為9V直流電提供，與一對反向并聯(lián)二極管相串聯(lián)的電阻可對二極管及運放芯片起到一定的保護作用，與1、4、5腳相連的分壓器為放大器提供一個補償電壓，如果沒有這個電壓調(diào)節(jié)，就可能造成在磁場沒有發(fā)生變化時，二極管也會發(fā)光，從而影響到演示實驗的正常進行。

圖3

實驗裝置的面板和背面電路如圖4、圖5所示，分別用8個發(fā)光二極管(一組發(fā)紅光，一組發(fā)綠光)做成兩個方向相反的箭頭，分別表示二極管導通時電流的方向。實驗時當條形磁鐵插入螺線管時，其中一個二極管組成的箭頭發(fā)光。條形磁鐵放在里面不動時，燈熄滅。當條形磁鐵從螺線管拔出時，另一個二極管組成的箭頭發(fā)光。通過發(fā)光箭頭的指向，學生能更直觀地觀察到電流的方向。

圖4

圖5

本裝置也可以定性演示法拉第電磁感應(yīng)定律，在條形磁鐵快速和緩慢插入的兩個過程中，從靈敏電流計的讀數(shù)比較感應(yīng)電流的大小。

運用該放大器，還可以檢測出導線切割地磁場時產(chǎn)生的感應(yīng)電流。將長約為2m的導線的兩端接到放大器上，搖動導線可以觀察到二極管發(fā)光。

筆者用此教具參加了東莞市中學生創(chuàng)意物理實驗設(shè)計比賽，獲得了一等獎，改進后的實驗教具不僅演示效果好，還幫助老師較好地完成了教學重難點的講解。

劉誠杰.電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律演示實驗改進[J].甘肅教育學院學報(自然科學版)，2002，16(4).

(廣東省東莞中學松山湖學校高三11班，廣東 東莞 523808)