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        基于實驗合理外推線圈在輻向磁場中的受力情況

        2021-03-25 02:48:12黃衛(wèi)良
        物理通報 2021年4期
        關(guān)鍵詞:線框方形磁鐵

        黃衛(wèi)良

        (張家港市樂余高級中學 江蘇 蘇州 215621)

        用微元法推導線圈在輻射磁場中的受力情況,嚴格說是一種純數(shù)學方法[1].作為補充,筆者在實驗基礎上進行合理外推,更符合學生的科學認知規(guī)律.

        1 讓方形線圈唱歌

        找一個老人用聽戲機,插入存有MP3歌曲的內(nèi)存卡,并打開后蓋,把焊接在喇叭上的兩根導線脫開,將這兩根導線延長后接到方形線圈的兩端,即用方形線圈代替了喇叭,如圖1所示,并在方形線圈的一條邊附近放置1塊小型馬蹄形磁鐵.

        圖1 音頻電流通入方形線圈

        教師:同學們,見證奇跡的時刻到了,請注意傾聽.

        學生:天哪.方形線圈居然會發(fā)出音樂?會不會另外有喇叭在播放?

        教師讓學生上講臺檢查,學生發(fā)現(xiàn)的確是方形線圈在發(fā)聲,但即使把播放器的音量旋鈕調(diào)節(jié)到最大位置,線圈播放的聲音還是比較微弱.

        教師:線圈為什么會唱歌呢?

        學生:……

        教師接下來再把一個電流傳感器串聯(lián)入方形線圈回路,讓學生觀察其中電流的變化[2],如圖2所示.

        學生:明白了,線圈中通有大小方向不斷變化的電流,磁場就對線圈產(chǎn)生大小方向不斷變化的安培力,從而帶動線圈振動而發(fā)出聲音.

        圖2 傳感器檢測方形線圈中電流

        教師:很好.這樣的電流稱為音頻電流,其變化規(guī)律和錄制音樂的規(guī)律是一致的.

        2 增加馬蹄形磁鐵的數(shù)量

        教師:用一個馬蹄形磁鐵,線框唱歌的音量實在是太小了.接下來老師放入第2、第3個馬蹄形磁鐵,同學們認真觀察,看看有什么變化?

        學生:線框播放音樂的聲音變大了.

        教師:為什么聲音變大?同學們會解釋嗎?

        學生:因為導線在磁場中的有效長度變長了.

        教師:很好.

        教師接下來PPT展示以上用1,2,3塊磁鐵實驗的示意圖,如圖3所示.

        依次加入1塊、2塊、3塊磁鐵,可發(fā)現(xiàn)線圈發(fā)出的音樂逐漸變強

        3 合理外推

        教師:同學們,在依次放入1,2,3塊馬蹄形磁鐵的實驗基礎上,我們把磁鐵越放越多,如圖4所示.請同學們合理外推下,線框在磁場中的有效長度,最大可以達到多少?

        合理外推:隨著磁鐵越放越多,線框在磁場中有效長度最大是多少?

        學生:應該是線框的4條邊全部放滿磁鐵,最大有效長度,就是線框的周長.

        教師:很好,當線圈4條邊都放滿磁鐵后,就可以把所有磁鐵合并為一個大的方形磁鐵,線框外側(cè)就是S極,內(nèi)側(cè)就是N極,這實際上已經(jīng)是一個方形輻向磁場了.

        教師投影展示示意圖,如圖5所示.

        教師:同學們,有沒有發(fā)現(xiàn),如果把這個方形的輻向磁場進一步合理外推為圓形輻向磁場,如圖6所示,則線圈在磁場中的最大有效長度就變?yōu)槎嗌伲?/p>

        圖5 四周放滿磁鐵合理外推為方形輻向磁場

        圖6 方形輻向磁場合理外推為圓形輻向磁場

        學生:就是其周長.

        教師:如果考慮線圈的匝數(shù)呢?

        學生:就是周長與匝數(shù)的乘積.

        教師:很好,我們通過實驗,再進一步合理外推,發(fā)現(xiàn)了圓形輻向磁場中的線圈,其在磁場中的有效長度就是周長與匝數(shù)的乘積,這樣線圈受到的安培力就最大,線圈振動的效率就最高.實際的揚聲器就是因為采用了這樣的輻向磁場,而有效提高了振動發(fā)聲的效率.同學們課后可以找個廢舊玩具上的小喇叭拆下磁鐵,去進一步了解輻向磁場.

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