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        自制磁通量變化演示器

        2018-07-03 08:43:12山東省萊蕪市第一中學(xué)朱章華
        新課程教學(xué)(電子版) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:激光燈磁感線亞克力

        山東省萊蕪市第一中學(xué) 朱章華

        一、磁通量變化演示器的提出

        磁通量是中學(xué)物理中重要的物理概念,同時(shí)這一概念也非常抽象,老師不好講,學(xué)生不好理解。究其原因是磁感線看不見(jiàn)、摸不著,面積的變化的理解還需要較強(qiáng)的三維想象能力,導(dǎo)致這個(gè)概念在教和學(xué)中遇到了很大的困難。為此我研發(fā)了用激光柱來(lái)代替磁感線的一套“磁通量變化演示器”。

        二、磁通量變化演示器的結(jié)構(gòu)說(shuō)明

        面積板如圖1所示。面積板中心是有機(jī)玻璃(亞克力),亞克力邊緣用鋁框固定綠色LED燈帶,燈帶需要12V恒流電源,為了避免電源線的纏繞,需要圖示的銅刷和彈簧片配合,接線柱接12V電源。支撐板固定在圖2的亞克力容器的外殼上。圖1的右側(cè)有搖把,可以旋轉(zhuǎn)整個(gè)面積板,用來(lái)改變面積板和磁感線的夾角。亞克力容器如圖2所示,容器正當(dāng)中是門(mén),門(mén)的左右兩側(cè)有支撐孔,把圖1的裝置安裝在容器里。

        激光源采用的是激光筆,它帶有激光旋轉(zhuǎn)頭,可以調(diào)出各種圖案,可以出現(xiàn)密集和稀疏的斑點(diǎn),正好供我們模擬磁感線使用。其缺點(diǎn)是:1.功率比較低,所以我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的時(shí)候要加上煙霧才能看到光柱;2.需要用手拿著。另外一種方案是采用9個(gè)激光頭,功率增加,間隔均勻鑲嵌在亞克力的容器上面。好處就是不用手拿著,比單個(gè)激光柱的功率大些,煙霧小一些就行。

        圖1 面積板的結(jié)構(gòu)

        圖2 亞克力容器

        三、磁通量變化演示器的演示方法

        (一)磁通量概念簡(jiǎn)介

        設(shè)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)與磁場(chǎng)方向垂直的平面 (圖 3),磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B ,平面的面積為S ,我們定義磁感應(yīng)強(qiáng)度B與面積S的乘積,叫作穿過(guò)這個(gè)面積的磁通量,如果用Φ表示磁通量,則Φ=BS。磁通量的意義可以用磁感線形象地加以說(shuō)明。我們知道,在同一磁場(chǎng)的圖示中,磁感線越密的地方,也就是穿過(guò)單位面積的磁感線條數(shù)越多的地方,磁感應(yīng)強(qiáng)B越大。因此,B越大,S越大,穿過(guò)這個(gè)面的磁感線條數(shù)就越多,磁通量就越大。如果平面跟磁場(chǎng)方向不垂直,我們可以做出它在垂直于磁場(chǎng)方向上的投影平面。從圖4可以看出,穿過(guò)斜面和投影面的磁感線條數(shù)相等,即磁通量相等。

        圖3 面積和磁感線垂直的情形

        圖4 面積和磁感線有銳角的情形

        (二)演示平面方向變化與磁通量變化關(guān)系的操作步驟

        1.取少量的煙霧餅,并將其點(diǎn)燃,放入容器,關(guān)閉容器小門(mén)。如果沒(méi)有煙霧餅可以用點(diǎn)香產(chǎn)生的煙霧代替,注意不要讓香火接觸或靠近亞克力板,否則會(huì)損壞亞克力板。

        2.給綠色LED燈帶通電,點(diǎn)亮面積板。

        3.調(diào)試激光燈,使其發(fā)出點(diǎn)陣光斑,從上面射入(也可以加凸透鏡使其成為平行光),讓學(xué)生從上面和側(cè)面觀察。

        調(diào)節(jié)激光燈柱,調(diào)節(jié)出密集和稀疏的激光斑點(diǎn),學(xué)生可以看到同一面積,激光柱不同,驗(yàn)證磁通量和磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。

        4.旋轉(zhuǎn)搖把,讓學(xué)生仔細(xì)觀察激光柱通過(guò)面積板的變化情況,理解磁通量和面積的關(guān)系。

        (三)演示切割磁感線的情況

        1.重復(fù)上面的1~3步驟。

        2.讓激光燈從上面照射面積板,學(xué)生仔細(xì)觀察面積板的四個(gè)邊緣切割磁感線的情況。

        3.讓激光燈從側(cè)面照射面積板,學(xué)生仔細(xì)觀察面積板的四個(gè)邊緣切割磁感線的情況。

        四、磁通量變化演示器的效果

        1.演示器用綠色LED照亮亞克力做成的面積板,綠色光充滿亞克力板子,散射出來(lái)的光線,讓我們能清楚看見(jiàn)面積板的位置和大小。圖5是做好的演示器。

        圖5 做好的演示器

        2.演示用的激光柱采用小功率的筆式激光燈,它可以發(fā)出不同的斑點(diǎn),但是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)用到的光柱的距離比較短,可以幾乎不用考慮這個(gè)問(wèn)題。如果比較在意,可以用凸透鏡匯聚一下,但是不容易買(mǎi)到面積這么大的凸透鏡。用激光筆的好處是可以任意調(diào)整入射的位置。

        3.紅綠光交叉顯示,顯示效果對(duì)比好。

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