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        巧用可拆變壓器探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象

        2019-12-29 02:43:58王洪濤劉召新
        物理通報 2019年1期
        關(guān)鍵詞:原線圈電磁爐匝數(shù)

        王洪濤 劉召新

        [深圳外國語學(xué)校(龍華) 廣東 深圳 325000](余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

        1 制作背景

        “電磁感應(yīng)”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理·選修3-2》中的重點內(nèi)容,關(guān)于電磁感應(yīng)的應(yīng)用教材提供的案例主要是:如圖1真空冶煉爐,這個案例雖然是一種重要的應(yīng)用,畢竟在學(xué)生的日常生活中見不到,所以缺少親近感和信任度;圖2電磁驅(qū)動作為成品的教學(xué)儀器,盡管實驗效果不錯,仍然缺少自制教具的天生親切感.筆者利用可拆變壓器加上常見的生活物品設(shè)計了系列實驗,不但能達到教材實驗的效果,而且優(yōu)化和完善了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗演示.

        圖1 真空冶煉爐 圖2 電磁驅(qū)動演示儀器

        2 實驗裝置

        如圖3所示,用可拆變壓器作為主要裝置,自己動手繞制的簡易線圈,再配合鋁環(huán)和鐵碗,這些元件按照不同的組合分別將電磁感應(yīng)的現(xiàn)象以各種不同的形式呈現(xiàn)出來.各部分組件的名稱詳見圖3下方的標(biāo)注.

        圖3 實驗組件

        3 實驗裝置的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

        (1)可拆變壓器. 選用原線圈額定電壓超過220 V,額定電流超過2 A的可拆變壓器.

        (2)鋁環(huán).”跳環(huán)”實驗演示電磁阻尼.

        (3)自制線圈. 演示互感.

        (4)多匝線圈. 多匝互感.

        (5)鐵碗.演示渦流生熱現(xiàn)象.

        4 實際教學(xué)的探究過程

        4.1 變壓器鐵芯的作用

        如圖4(a)所示,可拆變壓器鐵芯半閉合,左邊原線圈接上220 V交流電,右邊用自制線圈代替副線圈,此時副線圈所在閉合回路中的燈泡沒有發(fā)光.如圖4(b)所示,將鐵芯閉合,燈泡立即發(fā)光.在鐵芯外面靠近一個多匝線圈,如圖4(c)所示,燈泡沒有發(fā)光.

        圖4 驗證變壓器鐵芯的作用

        實驗結(jié)論:鐵芯能夠約束磁場,傳導(dǎo)磁感線,閉合的鐵芯能夠減少漏磁.

        4.2 線圈匝數(shù)對電磁感應(yīng)的影響

        如圖5(a)所示,原線圈接上220 V交流電,可拆變壓器鐵芯半閉合時,用匝數(shù)較少的自制線圈時,副線圈所在閉合回路中的燈泡沒有發(fā)光.如圖5(b)所示,換用多匝線圈時,所在閉合回路中的燈泡能夠發(fā)光.如圖5(c)所示,兩個線圈同時套在右邊鐵芯,兩個燈泡一個發(fā)光,一個不發(fā)光,形成明顯的對比.

        圖5 線圈匝數(shù)對電磁感應(yīng)的影響

        實驗結(jié)論:電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢跟線圈的匝數(shù)有關(guān),匝數(shù)越少,感應(yīng)電動勢越小,匝數(shù)越多,感應(yīng)電動勢越大.

        4.3 電磁驅(qū)動

        4.3.1 “跳環(huán)”實驗

        如圖6(a)所示,把可拆變壓器的鐵芯拆開豎直放在線圈的上方,把鋁環(huán)套在鐵芯上.原線圈接在220 V交流電源電路,當(dāng)閉合開關(guān)時,原來靜止的鋁環(huán)立即向上跳起,形成如圖6(b)所示的跳環(huán)現(xiàn)象.

        圖6

        4.3.2 “懸浮環(huán)”實驗

        如圖7(a)所示,把可拆變壓器的鐵芯拆開豎直放在線圈的上方,把兩個鋁環(huán)套在鐵芯上,在上方放置一個塑料擋板。原線圈接在220 V交流電源電路,當(dāng)閉合開關(guān)時,如圖7(b)原來靜止的兩個鋁環(huán)相繼向上向上跳起,最終由于塑料板的阻擋,形成如圖7(c)所示的懸浮環(huán)現(xiàn)象.

        圖7 懸浮環(huán)實驗

        實驗結(jié)論:電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,由于產(chǎn)生電磁感應(yīng)的回路總要阻礙原磁通量的變化,所以就產(chǎn)生了力的作用.

        4.4 渦流加熱自制電磁爐

        圖8是自制電磁爐的圖片.

        圖8 自制電磁爐

        如圖8(a)所示,先展示電磁爐進行燒水的生活實例,詢問學(xué)生電磁爐燒水的原理,進行相關(guān)猜想和討論.如圖8(b)所示.

        把可拆變壓器鐵芯半拆開,線圈接上220 V交流電,把盛少量水的鐵碗放在線圈上面.過一會,線圈上的水產(chǎn)生了水蒸汽,伴有嘶嘶的沸騰聲音,電磁爐的加熱原理就明白了.

        實驗結(jié)論:電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,靠近的金屬導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生許多閉合的電流,稱之為渦流.渦流使金屬導(dǎo)體產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象.

        5 該裝置的特點

        本裝置取材方便,實驗現(xiàn)象明顯,巧妙地將抽象的電磁感應(yīng)以光、運動、熱等現(xiàn)象直觀地呈現(xiàn)出來,是一個系列實驗儀器套裝.利用該裝置進行實驗探究更貼近生活,靠近問題的本源,使學(xué)生更容易理解,實際教學(xué)效果很好.

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