葉 澤,王 靜

(云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

在中學物理教學中，觀察和實踐是幫助學生掌握物理知識、形成物理觀念的基礎(chǔ)和重要手段. 教材[1]楞次定律一節(jié)是聯(lián)系電場和磁場的紐帶，其中，對楞次定律的理解和掌握是教學內(nèi)容的重點和難點. 但是關(guān)于楞次定律設(shè)計的演示實驗實驗現(xiàn)象不明顯，電流的方向顯示不直觀，學生分析物理現(xiàn)象具有一定困難. 其次，教材中的演示實驗比較單一，造成學生對楞次定律的理解不深入、不準確.針對以上問題，本文設(shè)計制作了楞次定律綜合實驗儀，利用該實驗儀可以完成導入實驗、演示實驗、小組實驗和課外拓展實驗.

1 楞次定律綜合實驗儀

楞次定律綜合實驗儀如圖1所示，LED燈珠示流儀模塊可用于楞次定律的導入實驗、 演示實驗的講解， 亦可探究感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān). 鋁環(huán)實驗?zāi)K可用于學生進行小組實驗. 可控電磁炮模塊則用于學生的課外拓展實驗.

圖1 楞次定律綜合實驗儀

2 實驗儀器支架的制作

將1塊50 cm×60 cm的積木板根據(jù)尺寸要求打出4個長方形的口，用于插入前后面板，并鉆出孔洞用于加裝角鐵來固定前后面板的底腳.

在積木板的四角按尺寸要求打出3 cm×3 cm的方孔，用于把方木條插入其中作為立柱，立柱上加裝不同規(guī)格的玻璃夾，用于固定4個面板的側(cè)面.與此同時，4個立柱的腳用角鐵加裝螺絲固定，立柱的上方做成如圖2(a)的隼口，用于固定側(cè)梁和橫梁.橫梁做成如圖2(b)所示的隼口，側(cè)梁做成如圖2(c)所示的隼口.

(a)立柱 (b)橫梁 (c)側(cè)梁圖2 積木板支架的制作

3 自制LED燈珠示流儀

3.1 所需材料

紅色和藍色的LED燈珠、運算放大器UA741CP、電位器、9 V電池2只、自繞線圈1卷(帶香蕉插頭)、微安表1只，毫安表1只、圓柱形強磁鐵1根(標清南北極)、強磁鐵支架2個、雙刀雙擲開關(guān)1個、單刀開關(guān)2個.

3.2 制作方法

將如圖3所示的智能小車改裝，加裝2只電池盒，并將強磁鐵支架固定在小車上，再在小車上加裝2個單刀開關(guān).

圖3 改裝的小車

將UA741CP及電阻、電位器按如圖4所示的電路圖焊接在5 cm×7cm的電路板上. 將紅色和藍色的LED燈珠焊接于箭頭形狀的銅絲上備用，再將2塊亞克力板按照不同的裁剪規(guī)格裁剪完成備用，把電路板、電池盒，微安表和毫安表安裝在內(nèi)層亞克力板上，然后把雙刀雙擲開關(guān)和箭頭燈安裝在外層亞克力板上，并將電路連接完整，

圖4 電路圖

之后用18 mm的沉頭內(nèi)六角螺絲將2塊亞克力板固定在一起，最后將整體的亞克力板插入提前裝備好的前面板玻璃夾中，并用M8內(nèi)六角螺絲固定.

將線圈支架安裝在底座上，并把線圈固定在支架上，連接好線路. 將改裝后的小車放在3 cm厚、50 cm長的泡沫板上，組裝后的實驗裝置如圖5所示.

圖5 LED燈珠示流儀

3.3 使用方法

1)打開前面板后的電源開關(guān).

2)取出圓柱形強磁鐵，固定在小車上，打開開關(guān)，小車啟動，載著磁鐵插入線圈，便可看到燈珠顯示電流方向，此時可探究感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān).

3)撥動雙刀雙擲開關(guān)，使線圈與運算放大器模塊相連接，并且通過毫安表和LED發(fā)光二極管相連接.

4)啟動小車，小車載著磁鐵N極插入線圈，對應(yīng)的左側(cè)紅燈亮，顯示了感應(yīng)電流的方向，并能觀察到毫安表指針左偏. S極插入則相反.

5)撥動雙刀雙擲開關(guān)，使內(nèi)置線圈直接與雙向微安表相連，再次啟動小車，N極插入，記錄指針偏轉(zhuǎn)情況.

6)撥動開關(guān)短接毫安表，學生能明顯地觀察到燈珠亮滅情況，可知感應(yīng)電流方向，從而歸納得出楞次定律.

結(jié)論：紅藍燈是反向并聯(lián)在一起的，而磁鐵在插入和拔出時，不同的箭頭燈亮，說明原磁場的方向和磁通量的變化會導致產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向有差異，感應(yīng)電流通過放大電路放大后驅(qū)動LED燈珠的閃爍來顯示感應(yīng)電流方向，方便學生觀察，容易歸納得出楞次定律.

4 自制鋁環(huán)小實驗

4.1 所需材料

電熱水龍頭鋁圈裝飾環(huán)2個、厚鋁環(huán)2個、2根木條(中點打孔，粗木條中點孔加大頭針)，2根0.38 mm的簽字筆筆芯(其中1根去筆尖)，支撐底座1個.

4.2 制作方法

將1個電熱水龍頭鋁圈裝飾環(huán)剪開1條縫，也將1個厚鋁環(huán)鋸開1條縫，在2根粗細木條中點處打孔，其中粗木條中點孔加1顆大頭針，找2根0.38 mm的簽字筆筆芯，把其中1根筆芯去筆尖，支撐底座固定于上面板的雪弗板上. 把2個細鋁環(huán)分別固定于細木條的兩端，2個粗鋁環(huán)也固定于粗木條的兩端. 自制鋁環(huán)實驗裝置如圖6所示.

圖6 鋁環(huán)實驗裝置圖

4.3 使用方法

首先把較薄較輕的小鋁環(huán)、橫梁、強磁鐵(已標清南北極)以及支架發(fā)給學生，讓其按照教師要求做自主探究實驗. 學生自主探究實驗完成后，教師先進行薄鋁環(huán)的實驗，與學生核對實驗結(jié)果及實驗結(jié)論，之后教師進行厚鋁環(huán)的實驗，得出與學生的實驗現(xiàn)象相反的現(xiàn)象，在此，教師進行知識的拓展，啟發(fā)學生預(yù)習渦流的內(nèi)容，嘗試解決疑問，為渦流教學埋下伏筆.

結(jié)論：鋸開1條縫的粗鋁環(huán)也能與磁鐵發(fā)生相互作用，這是由于產(chǎn)生渦流的原因.

5 可控電磁炮實驗

5.1 所需材料

自繞線圈、線圈支架1個、大號吸管1只、自制炮彈若干、氣球、透明塑料、水管固定夾1個、數(shù)顯電壓表1個、船型開關(guān)2個、自制可調(diào)電源模塊、電容、升壓模塊、亞克力板.

5.2 制作方法

將可調(diào)電源和升壓模塊固定于亞克力盒子上，并把電壓表也固定于亞克力盒子頂部，同時將2個開關(guān)固定于后面板上，自繞的電磁炮線圈固定在支架上，并將所有線路連接完整，最后把透明塑料制作為桶狀，用于裝氣球，充當靶子. 可控電磁炮實驗裝置如圖7所示.

圖7 可控電磁炮實驗裝置圖

5.3 使用方法

將電源插頭插入220 V的交流電插板中，打開充電開關(guān)，觀察電壓表示數(shù)，使電壓表示數(shù)達160 V，再將自制炮彈裝填入炮管中，連接加長炮管，并把充氣氣球裝入靶桶中. 打開發(fā)射開關(guān)，氣球應(yīng)聲而破. 提醒學生觀察此時電壓表的示數(shù)變化情況，反映的饋電現(xiàn)象.

結(jié)論：瞬間產(chǎn)生的強電流通過線圈，產(chǎn)生強磁場，并作用于炮彈上的小線圈，彼此相互作用，而使炮彈飛出，并擊爆氣球，反映了能量的守恒性，并讓學生嘗試解釋作用原理及饋電現(xiàn)象，啟發(fā)學生預(yù)習互感的內(nèi)容.

6 結(jié)束語

利用創(chuàng)造技法中的組合法，將3個有趣的實驗結(jié)合，并通過巧妙的設(shè)計，從細節(jié)上進行了改良，實驗效果明顯，特別是可控電磁炮的設(shè)計部分，該設(shè)計使得威力巨大、方向難以控制的電磁炮炮彈頭變成了可控的彈頭，在一定范圍內(nèi)運動，可以在教室演示的可控電磁炮，小小電磁炮爆發(fā)出的威力給學生以震撼，能充分調(diào)動學生學習的積極性，增強課堂效果和感染力. 同時該教具主要利用了生活中常見的鋁環(huán)、磁鐵、LED燈珠等物品，取材方便，穩(wěn)定性高，可操作性強.