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        用光電傳感裝置改進(jìn)楞次定律實(shí)驗(yàn)

        2021-03-15 05:29:17肖政
        物理教學(xué)探討 2021年2期
        關(guān)鍵詞:楞次定律電磁感應(yīng)

        肖政

        摘? ?要:利用51單片機(jī)、TCRT5000紅外反射傳感器、發(fā)光二極管、強(qiáng)磁鐵等元件制作了楞次定律實(shí)驗(yàn)演示器,該裝置設(shè)計(jì)新穎、操作簡單,利用本裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出楞次定律的內(nèi)容,更加直觀,更具有說服力。

        關(guān)鍵詞:電磁感應(yīng);光電傳感;楞次定律

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2021)2-0054-2

        1? ? 引? ?言

        《楞次定律》是人教版高中物理選修3-2第四章《電磁感應(yīng)》第三節(jié)的內(nèi)容,是電磁學(xué)內(nèi)容的重要組成部分,也是考試中的重難點(diǎn)。在教學(xué)過程中,一般都是用教材上的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn),從而總結(jié)出楞次定律的內(nèi)容。但是,這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生理解起來有困難。筆者從材料和制作方法上進(jìn)行了全方位創(chuàng)新和改進(jìn),制作出“光電式楞次定律演示器”的實(shí)驗(yàn)組合裝置。

        2? ? 教材中的演示實(shí)驗(yàn)[1,2]

        (1)在做“鋁環(huán)”演示實(shí)驗(yàn)時(shí),由于要快速插入(或抽出),盡管閉合鋁環(huán)出現(xiàn)了一定的轉(zhuǎn)動(dòng),由于鋁環(huán)質(zhì)量較小,導(dǎo)致有部分學(xué)生認(rèn)為是磁鐵快速移動(dòng)的過程中空氣對流產(chǎn)生的結(jié)果。

        (2)在用磁鐵插入(或抽出)線圈中看電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向來判斷感應(yīng)電流的方向的演示實(shí)驗(yàn)中,電流表的指針偏轉(zhuǎn)不明顯,導(dǎo)致班上絕大多數(shù)學(xué)生都看不清楚。

        (3)如果磁鐵插入(或抽出)線圈中的速度不夠快,電流表指針偏轉(zhuǎn)不明顯或者幾乎就不偏轉(zhuǎn)。整個(gè)操作過程比較復(fù)雜,器材較多,攜帶不方便,耗時(shí)也較多。

        3? ? 制作流程及裝置圖說明

        3.1? ? 制作材料

        單片機(jī)、TCRT5000紅外反射傳感器(2個(gè))、LED顯示屏、發(fā)光二極管(4個(gè))、鐵球、磁球、強(qiáng)磁圓柱體、漆包線、銅管、塑料杯、透明PVC管、4節(jié)5號電池、木板、導(dǎo)線若干。

        3.2? ? 制作工具

        電烙鐵、電鉆、鋼鋸、電腦、螺絲刀等。

        3.3? ? 制作流程

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

        (1)用兩根50 cm長的方形木條、40 cm×30 cm的薄木板以及底座木板做成固定支架,并分別在底座上方固定塑料杯。

        (2)用C語言編寫光電計(jì)時(shí)程序并燒錄到單片機(jī)中[3,4]。

        (3)將TCRT5000紅外反射傳感器1、傳感器2、單片機(jī)、LED顯示屏、晶振、電源開關(guān)、USB串口、電池盒等元件焊接在9 cm×15 cm的電木板上。

        (4)取一根1 m長、內(nèi)徑為18 mm的直銅管,并用橡皮筋固定在支架木板上,分別將傳感器1、傳感器2固定在銅管的上下兩端。

        (5)取一根1 m長、內(nèi)徑為24 mm的PVC透明管,并用橡皮筋固定在支架木板上,并用漆包線按順時(shí)針纏繞制成線圈1和線圈2固定在PVC管的適當(dāng)位置處。

        (6)將藍(lán)色和白色的發(fā)光二極管反接,分別連接在線圈1和線圈2上。

        4? ? 該裝置的優(yōu)點(diǎn)

        (1)利用鐵球和磁球在銅管中下落時(shí)間長短的比較,直觀地體現(xiàn)了楞次定律中“來拒去留”的現(xiàn)象。

        (2)利用光電傳感器記錄下兩個(gè)小球的下落時(shí)間和遮光時(shí)間(LED顯示屏上的Time1顯示的是小球從光電傳感器1到光電傳感器2的時(shí)間,Time2顯示的是小球下落過程中對光電傳感器2的遮光時(shí)間)。(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1)

        對于鐵球的下落,可以用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律:h=■gt2,帶入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得:g=9.79 m/s2,再由機(jī)械能守恒定律:mgh=■m(■)2,帶入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以認(rèn)為鐵球的下落過程機(jī)械能是守恒的。對磁球的下落過程,從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,重力勢能的減少量明顯大于動(dòng)能的增加量[5-7]。

        (3)利用藍(lán)色和白色兩種顏色的發(fā)光二極管(發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?,并且二極管是反接的)的發(fā)光情況判斷電流方向發(fā)生了改變。

        (4)在塑料杯中放入濕紙巾,既避免小球下落后亂跳,又可以防止磁球摔壞,還解決了操作復(fù)雜、操作時(shí)間過長、不方便攜帶的問題。

        5? ? 使用效果

        該光電式楞次定律演示器,通過師生們的實(shí)際使用都認(rèn)為適用性很強(qiáng),得到師生好評,操作簡單,使用方便,便于攜帶,任何學(xué)生都會(huì)使用。在使用中,不會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)不成功的現(xiàn)象。讀數(shù)直觀易懂,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,科學(xué)性強(qiáng),具有較強(qiáng)的說服力,學(xué)生可以更好地理解楞次定律的內(nèi)容。

        6? ? 注意事項(xiàng)

        該實(shí)驗(yàn)裝置中使用的強(qiáng)磁鐵為釹鐵硼磁鐵,磁性很強(qiáng),在使用的過程中應(yīng)遠(yuǎn)離手機(jī)、銀行卡等,以免被磁化。磁體易粉碎,在操作過程中不要將磁鐵直接與地面發(fā)生碰撞。光電傳感器的計(jì)時(shí)原理是當(dāng)物體完全通過光電傳感器時(shí)開始計(jì)時(shí),到物體遮住第二個(gè)光電傳感器時(shí)停止計(jì)時(shí),這期間若第一個(gè)光電傳感器被遮擋,計(jì)時(shí)就清零,所以在釋放小球后,手要迅速拿開,防止光電傳感器被再次遮擋。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王喜云.中學(xué)物理自制教具研制實(shí)例[M].長沙:中南大學(xué)出版社有限責(zé)任公司,2017.

        [2]潘學(xué)軍.物理實(shí)驗(yàn)方法與演示教具制作[M].北京:科學(xué)出版社,2017.

        [3]莊燕文.Dev-C++ 基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

        [4]楊欣,王玉鳳,劉湘黔. 51單片機(jī)應(yīng)用從零開始[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

        [5]人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2[M].北京:人民教育出版社,2015.

        [6]唐挈.高中物理實(shí)驗(yàn)有效教學(xué)設(shè)計(jì)及案例[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2013.

        [7]高春海,黃軍武.高中物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與拓展探究[M].石家莊:河北人民出版社,2013.

        (欄目編輯? ? 王柏廬)

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