洪華標(biāo)
(廣東梅縣東山中學(xué),廣東梅州 514011)
目前大部分教材中探究感應(yīng)電流方向的楞次定律演示實(shí)驗(yàn)是這樣做的:利用磁鐵插入和拔出線圈,通過(guò)觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向來(lái)確定感應(yīng)電流的方向,進(jìn)而來(lái)判斷感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向,從而分析得出楞次定律。
筆者認(rèn)為原有實(shí)驗(yàn)存在以下不足:(1)利用電流表的偏轉(zhuǎn)方向來(lái)判斷感應(yīng)電流方向既復(fù)雜又抽象。(2)磁鐵插入和拔出線圈時(shí)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),但很快又會(huì)回?cái)[,容易造成學(xué)生的混淆,不清楚指針的擺向。(3)實(shí)驗(yàn)記錄表設(shè)計(jì)復(fù)雜不利于實(shí)驗(yàn)探究。
為解決上述問(wèn)題,我們開發(fā)了一套新的楞次定律演示實(shí)驗(yàn)的示教板。
(1)設(shè)計(jì)裝置圖,見(jiàn)圖 1。
圖1 裝置圖
(2)制作流程。
①制作示教板框架。將長(zhǎng)90cm寬68cm的方木板作為底板,在木板上用螺絲固定鋁塑板材。
②制作引入實(shí)驗(yàn):將銅管和玻璃管用玻璃膠粘在示教板右上角,讓兩者處于同一高度,如圖1所示。
③制作螺線管。我們利用紅藍(lán)二極管的發(fā)光情況來(lái)確定感應(yīng)電流方向。由于發(fā)光二極管的發(fā)光電壓需要3V,利用普通的條形磁鐵和螺旋管產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)達(dá)不到這個(gè)電壓。為了增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),我們有目的地增大線圈匝數(shù),用銅線按順序地繞在線圈,一共繞了5000匝,在線圈上標(biāo)示纏繞方向,然后用焊錫固定,留出兩根接線柱,螺線管安裝在鋁塑板上。
④圓柱形釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵。為了增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),演示實(shí)驗(yàn)我們采用了圓柱形釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵 (比普通磁鐵強(qiáng)10倍左右)。
⑤制作二極管電路。紅、藍(lán)2個(gè)LED燈二極管分別焊在鋁塑板上,LED燈并聯(lián)反接,用導(dǎo)線與螺線管連接,形成閉合回路,繪制電路圖,如圖1所示。LED燈并聯(lián)反接,由于二極管有單向?qū)щ娦?,每次磁鐵插入和拔出線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流只能使其中一只二極管發(fā)光。由于我們繞制了5000匝的線圈,當(dāng)強(qiáng)磁鐵插入和拔出線圈時(shí),產(chǎn)生了足夠大的電壓,能使二極管正常發(fā)光。
使用示教板進(jìn)行教學(xué)時(shí),我們首先演示銅管對(duì)比實(shí)驗(yàn):讓兩個(gè)磁鐵同時(shí)開始在玻璃管和銅管下落,要求學(xué)生觀察兩者下落是否一樣快。學(xué)生可以觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是:磁鐵在銅管中下落較慢。在教學(xué)時(shí),我們可以適時(shí)向?qū)W生拋出問(wèn)題:磁鐵為什么在玻璃管和銅管中下落不一樣快呢?在引起學(xué)生的濃厚興趣時(shí),我們可以及時(shí)引入新課:要回答這個(gè)問(wèn)題,我們要學(xué)習(xí)一種判斷感應(yīng)電流方向的普遍規(guī)律:楞次定律。
教學(xué)過(guò)程中我們要引導(dǎo)學(xué)生猜想可能影響感應(yīng)電流方向的因素:磁鐵的運(yùn)動(dòng)方向、磁場(chǎng)的方向、磁通量的增減等等,然后根據(jù)學(xué)生的猜想進(jìn)行引導(dǎo)梳理,幫助學(xué)生分析確定可探討的因素,并設(shè)計(jì)記錄表格。
教師實(shí)驗(yàn)時(shí)提出問(wèn)題:如何確定感應(yīng)電流的方向呢?學(xué)生經(jīng)過(guò)探討,教師要適時(shí)給予點(diǎn)撥,讓學(xué)生知道由于二極管有單向?qū)щ娦?,每次磁鐵插入和拔出線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流只能使其中一只二極管發(fā)光,可以根據(jù)二極管發(fā)光顏色判斷感應(yīng)電流的方向。
圖2
表1
圖3
當(dāng)強(qiáng)磁鐵N極插入螺線管時(shí),藍(lán)色二極管發(fā)光,如圖2所示,原磁場(chǎng)方向向下,穿過(guò)線圈的磁通量增加,產(chǎn)生了感應(yīng)電流,感應(yīng)電流從藍(lán)色二極管正極進(jìn)入使其發(fā)光,線圈中的感應(yīng)電流方向(俯視看)為逆時(shí)針。
當(dāng)強(qiáng)磁鐵N極向上拔出螺線管時(shí),紅色二極管發(fā)光,如圖3所示,原磁場(chǎng)方向向下,穿過(guò)線圈的磁通量減少,產(chǎn)生了感應(yīng)電流,感應(yīng)電流從紅色二極管正極進(jìn)入使其發(fā)光,線圈中的感應(yīng)電流方向(俯視看)為順時(shí)針。
同理,線圈當(dāng)強(qiáng)磁鐵S極插入或者拔出螺旋管時(shí),根據(jù)二極管的發(fā)光情況可以判斷感應(yīng)電流的方向。我們演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,要求學(xué)生填寫表1前三列。
問(wèn)題引入:可以根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果概括出感應(yīng)電流的方向與磁通量變化的關(guān)系嗎?
當(dāng)學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)僅僅根據(jù)以上結(jié)果很難概括出感應(yīng)電流與磁通量的變化的關(guān)系。那要怎么樣才能找出它們的關(guān)系呢?可以找一個(gè)中介做一個(gè)橋梁。這個(gè)中介就是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)。感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向既跟感應(yīng)電流的方向有聯(lián)系,又跟引起磁通量變化的磁場(chǎng)有關(guān)系。
藍(lán)色二極管發(fā)光時(shí),線圈中的感應(yīng)電流方向(俯視看)為逆時(shí)針,由右手螺旋定律則知感應(yīng)電流的磁場(chǎng)向上;紅色二極管發(fā)光時(shí),線圈中的感應(yīng)電流方向(俯視看)為順時(shí)針,由右手螺旋定律則知感應(yīng)電流的磁場(chǎng)向下。把表1補(bǔ)充填寫完整。
根據(jù)上面的探究結(jié)果,我們可以和學(xué)生一起分析歸納:原磁通增加,則感應(yīng)電流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相反,有阻礙變大作用。原磁通減少,則感應(yīng)電流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相同,有阻礙變小作用,即表現(xiàn)出“增反減同”,并將此概括為“阻礙變化”,由此我們可以得出判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律:感應(yīng)電流具有這樣的方向,就是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)的磁通量的變化,這就是楞次定律。
在教學(xué)中,我們還要從以下兩方面闡述楞次定律中“阻礙”兩字的含義:(1)從阻礙磁通量變化看:誰(shuí)起阻礙作用?——感應(yīng)電流的磁場(chǎng)。阻礙什么?——原磁場(chǎng)磁通量的變化。如何阻礙?——“增反減同”。阻礙的結(jié)果?——不是阻止、不是相反,是延緩了變化的過(guò)程。(2)從相對(duì)運(yùn)動(dòng)看,感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng),體現(xiàn)出“來(lái)拒去留”。在銅管(可視為很多線圈疊加而成)中,由于強(qiáng)磁鐵的下落產(chǎn)生感應(yīng)電流,隨即產(chǎn)生磁場(chǎng),由楞次定律可知感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁鐵下落,而磁鐵在玻璃管中下落不能產(chǎn)生感應(yīng)電流,造成磁鐵在銅管中下落時(shí)間比較長(zhǎng)。通過(guò)解說(shuō)既能使學(xué)生明白銅管對(duì)比實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理,又能讓學(xué)生享受學(xué)以致用的喜悅。
我們認(rèn)為這款楞次定律的演示裝置主要有以下創(chuàng)新之處:(1)利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦阅芸焖俅_定感應(yīng)電流的方向。強(qiáng)磁鐵進(jìn)出螺線管時(shí)根據(jù)不同顏色發(fā)光二極管的發(fā)光情況能快速確定感應(yīng)電流的方向,進(jìn)而判斷原磁場(chǎng)和感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向,驗(yàn)證了楞次定律,避免了利用電流表的偏轉(zhuǎn)方向來(lái)判斷感應(yīng)電流方向的繁瑣過(guò)程。(2)紅、藍(lán)色二極管發(fā)光亮度高,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,能極大地引起學(xué)生的注意力,實(shí)驗(yàn)演示效果好。(3)引入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比明顯,磁鐵在銅管中下落要比在玻璃管中下落得慢,與學(xué)生兩個(gè)鐵球同時(shí)落地的經(jīng)驗(yàn)相矛盾,能較好地引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)學(xué)生的探究熱情。(4)示教板把演示實(shí)驗(yàn)從平面走向立體,實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,實(shí)用便捷,演示效果好。