肖穹橋 謝寶增

摘 要：電與磁在生活中有廣泛應(yīng)用，相關(guān)命題在高考中“出鏡率”較高。筆者應(yīng)用安培力等電磁規(guī)律自制旋轉(zhuǎn)的線圈、電池，神奇的紙喇叭、紙?jiān)捦埠碗姶艔椛溲b置。通過(guò)視聽(tīng)體驗(yàn)，直觀呈現(xiàn)物理的科學(xué)性、趣味性、實(shí)用性，并且關(guān)注物理前沿，培養(yǎng)了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)的線圈；電池；神奇的紙喇叭；紙?jiān)捦?；電磁彈?/p>

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）3-0053-3

在我們學(xué)習(xí)了安培力規(guī)律之后，為了加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，筆者帶領(lǐng)興趣小組設(shè)計(jì)了三個(gè)在生活、科技中應(yīng)用安培力的趣味實(shí)驗(yàn)，寓教于樂(lè)。

趣味實(shí)驗(yàn)1：旋轉(zhuǎn)的線圈、旋轉(zhuǎn)的電池

儀器： 5號(hào)電池1節(jié)，圓柱形強(qiáng)磁鐵若干，直徑2 mm的銅線，螺絲釘，飲料瓶支架。

（1）儀器設(shè)計(jì)、組裝：

先用美工刀切割營(yíng)養(yǎng)快線瓶上部分，做一個(gè)半開(kāi)口的簡(jiǎn)易支架。再用螺絲釘穿透塑料瓶蓋，上方用磁鐵吸住螺絲釘?shù)拇箢^，然后用螺絲釘?shù)募舛耍∝?fù)極吸有磁鐵的5號(hào)電池的正極，最后用導(dǎo)線連接上下磁鐵構(gòu)成回路（注意上下方磁鐵極性，避免電池脫落）。可見(jiàn)，借助磁鐵能使南孚電池自動(dòng)旋轉(zhuǎn)飛舞，又快又炫。（圖1右）

（2）原理：利用強(qiáng)磁鐵的磁性和導(dǎo)電性，借助心形銅線構(gòu)成一個(gè)閉合回路，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受安培力旋轉(zhuǎn)（圖1左）。同理，可以手持銅線不動(dòng)，使磁鐵帶動(dòng)電池旋轉(zhuǎn)（如圖1右）。

趣味實(shí)驗(yàn)2：神奇的紙喇叭、紙?jiān)捦?/p>

儀器：A4紙，銅線（細(xì)漆包線），強(qiáng)磁鐵，舊音箱功放模塊（拆除內(nèi)置重低音喇叭），手機(jī)音樂(lè)，玩具小馬達(dá)，導(dǎo)線，鱷魚夾等。

（1）紙喇叭的制作：先在一張A4紙上打印一個(gè)喇叭，然后在背面，繞半徑不同的數(shù)十匝細(xì)銅線，銅線總電阻6 Ω左右（可用雙面膠固定銅線）。銅線兩端引出一對(duì)鱷魚夾，方便輸入音頻信號(hào)，最后用透明膠帶密封。

（2）紙喇叭原理：手機(jī)音樂(lè)等交流音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)舊音箱功放模塊放大電流后輸出到紙喇叭，線圈在磁場(chǎng)中受大小、方向都變化的安培力，于是線圈帶動(dòng)紙張有規(guī)律地振動(dòng)，發(fā)出與原音頻信號(hào)波形相同的聲音。

（3）儀器組裝、演示：

①A4紙喇叭：如圖2，先拆開(kāi)舊音箱，切斷它自帶的重低音喇叭，僅利用其功放模塊對(duì)電流進(jìn)行放大。首先手機(jī)音樂(lè)通過(guò)音頻線輸入舊音箱，交流音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，再由另一根音頻線輸出到紙喇叭。一個(gè)強(qiáng)磁鐵，當(dāng)身體靠近紙喇叭的時(shí)候，請(qǐng)仔細(xì)聽(tīng)，有聲音了。遠(yuǎn)離的時(shí)候沒(méi)聲音，靠近的時(shí)候有聲音。一張紙?jiān)趺茨艹龈鑱?lái)呢？它的秘密在哪里呢？它的秘密原來(lái)就是因?yàn)樵诩埍趁胬@了一些線圈（圖4）。

②用玩具小馬達(dá)自制喇叭：領(lǐng)略了物理的奇妙，知道喇叭其實(shí)非常簡(jiǎn)單，就是線圈和磁鐵的組合。同學(xué)們迫不及待，合作探究制作了一個(gè)外形奇特的喇叭（圖3）。原來(lái)馬達(dá)里面也有線圈和磁鐵。手機(jī)音樂(lè)先經(jīng)過(guò)音箱放大電流，再輸入音頻接口，音頻接口用導(dǎo)線連接玩具小馬達(dá)內(nèi)部的線圈兩端構(gòu)成回路。為了增強(qiáng)效果，可把一次性紙杯和電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸用熱熔膠連接成一體，構(gòu)建一個(gè)共鳴箱。

③紙喇叭VS紙?jiān)捦玻簭?qiáng)調(diào)喇叭的工作原理是電生磁，而不是磁生電，學(xué)生很容易混淆。因此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將A4紙喇叭連接小蜜蜂MIC接口，如圖4。對(duì)著紙喇叭中的線圈吹風(fēng)，小蜜蜂發(fā)出呼呼聲。為了獲得良好的視聽(tīng)體驗(yàn)，可以打開(kāi)手機(jī)音樂(lè)，使手機(jī)貼近喇叭，我們發(fā)現(xiàn)小蜜蜂立刻“嗨”起來(lái)了，可見(jiàn)小喇叭華麗變身話筒了。

紙?jiān)捦苍恚郝曇羰咕€圈振動(dòng)，于是線圈在磁場(chǎng)中切割磁感線，在線圈和小蜜蜂構(gòu)成的閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，并經(jīng)過(guò)小蜜蜂放大讓人聽(tīng)見(jiàn)。

趣味實(shí)驗(yàn)3：電磁彈射實(shí)驗(yàn)

儀器：鋁環(huán)火箭，450 V、680 μF的電容器2個(gè)，1 000 V、2 A的整流二極管2個(gè)，220 V、60 W的白熾燈、燈座各一只，雙刀雙位開(kāi)關(guān)，J2423R可拆變壓器鐵芯，自繞銅線圈（2 mm漆包線，匝數(shù)360）。

（1）儀器設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)是模擬美國(guó)“福特”號(hào)核動(dòng)力航母首次搭載電磁彈射。

①鋁環(huán)火箭的制作

取一只600 mL的百事可樂(lè)瓶，用美工刀裁掉瓶底部分，將瓶身豎放在鋁環(huán)上面，并用紅色硬紙板卷成環(huán)形把鋁環(huán)和瓶身包圍，然后用透明膠帶將鋁環(huán)和可樂(lè)瓶粘成一體。為使火箭顯得科學(xué)、美觀、實(shí)用，瓶口用紅色玩具交通錐罩住制作整流罩并用熱熔膠固定，瓶身粘貼五星紅旗。（如圖5中的A）

②電源發(fā)生器制作

按圖6中的電路所示，將二極管、電容元件焊接在電路板上，用導(dǎo)線連接好雙刀雙位開(kāi)關(guān)，并通過(guò)絕緣糖果盒把電路防護(hù)起來(lái)。最后引出電源插頭和向外放電的連接線和外置電燈，實(shí)物如圖5中的C。

（2）原理

如圖6中的開(kāi)關(guān)S扳向左邊，220 V市電經(jīng)倍壓整流向電容器充電，輸出電壓高達(dá)622 V。開(kāi)關(guān)S扳向右邊，電容器向線圈放電，線圈中的大電流使鋁環(huán)內(nèi)磁通量激增，鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，鋁環(huán)火箭在磁場(chǎng)中受到遠(yuǎn)大于自身重力的安培力，一飛沖天（如圖7所示）。

（3）操作說(shuō)明

①儀器組裝：如圖5中的B所示，把J2423R可拆變壓器的橫軛鐵芯豎直放在自制的360匝的線圈上方，使橫軛鐵芯與線圈內(nèi)的鐵芯對(duì)接，鋁環(huán)火箭豎直套在鐵芯上，將帶鱷魚夾的放電導(dǎo)線連接在線圈兩端。

②火箭試射：插頭接220 V交流電，把開(kāi)關(guān)S扳向充電端，電燈由亮變暗顯示正在對(duì)電容器充電，電燈熄滅，顯示充電結(jié)束。把開(kāi)關(guān)S扳向放電端，電容器對(duì)線圈放電。放電瞬間，可見(jiàn)鋁環(huán)火箭“啪”地向上射出約3 m高，贏得學(xué)生陣陣掌聲。

（4）注意事項(xiàng)

①電源發(fā)生器安全：選塑料糖果盒，充當(dāng)絕緣防護(hù)外殼。

②科學(xué)：充電線路串聯(lián)一個(gè)220 V、60 W的白熾燈，它相當(dāng)于大功率純電阻可以限流保護(hù)電路，又能直觀顯示充電過(guò)程。白熾燈，自身功率大，不易被燒壞，電源裝置更耐用。

③方便：體積小，便于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)展示。

通過(guò)探索與實(shí)踐，學(xué)生體驗(yàn)到物理方程以外的美，激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理科學(xué)的濃厚興趣，提升了學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新和科學(xué)探究與交流的能力，最終為培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力打開(kāi)了一扇窗。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱向陽(yáng)，施國(guó)富.磁炮式跳環(huán)實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010（11）：29.