賈劍　俞根強(qiáng)

摘 要：利用DIS傳感器、自制螺線管、強(qiáng)磁鐵和有機(jī)玻璃管等器材，可實(shí)現(xiàn)探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、楞次定律演示實(shí)驗(yàn)、法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)和電磁阻尼現(xiàn)象實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng);自制教具;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);DIS傳感器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0059-03

作者簡(jiǎn)介：賈劍（1987-），男，浙江湖州人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理課堂教學(xué)和深度學(xué)習(xí);

俞根強(qiáng)（1980-），男，浙江湖州人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理自制教具.

1 問題提出

楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)中的重要規(guī)律，也是學(xué)生學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的重點(diǎn)和難點(diǎn).教材關(guān)于兩者的教學(xué)均采用學(xué)生最熟悉的情境——在演示螺線管中磁鐵插入或拔出，缺乏創(chuàng)新性，無法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中強(qiáng)調(diào)：在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中要重視情境的創(chuàng)設(shè)[1].因此，一線教師應(yīng)利用自制教具創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生的求知欲[2]，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神[3].

2 實(shí)驗(yàn)裝置

教具器材包括圖1中的有機(jī)玻璃管1根（長(zhǎng)100cm，內(nèi)徑25mm，外徑30mm）①，圓柱形強(qiáng)磁鐵3個(gè)（高3cm，直徑21mm）②，銅漆包線繞制的螺線管3個(gè)（匝數(shù)為1200匝）③，額定電壓為6V的LED貼片紅色、藍(lán)色各1根④，DIS電壓傳感器和數(shù)據(jù)采集器⑤以及導(dǎo)線若干⑥.

教具制作步驟：將有機(jī)玻璃管插入3個(gè)螺線管，并將3個(gè)螺線管按上、中、下3個(gè)位置放置.由于有機(jī)玻璃管的外徑和螺線管的內(nèi)徑比較接近，可利用有機(jī)玻璃管外壁和螺線管內(nèi)壁之間的摩擦力將3個(gè)螺線管固定在有機(jī)玻璃管上，并且非常容易更換螺線管.上、中、下螺線管距上管口的距離分別為10cm、40cm和90cm.將紅色LED燈貼片粘在有機(jī)玻璃上半段，與最上面的螺線管串聯(lián).將藍(lán)色LED燈貼片粘在有機(jī)玻璃下半段，與最下面的螺線管相連.實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

3 教具用途

3.1 引入探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的新課

如圖3所示，豎直放置有機(jī)玻璃管，將強(qiáng)磁鐵從上端自由釋放，在有機(jī)玻璃管中做自由落體運(yùn)動(dòng)依次經(jīng)過3個(gè)螺線管，與最下端螺線管串聯(lián)的LED燈發(fā)出絢麗的光芒.因LED燈的額定電壓為6V，強(qiáng)磁鐵下落距離過短致使最上端螺線管中的電壓不足以讓與之串聯(lián)的LED燈發(fā)光，而最下端的螺線管則能提供足夠的電壓使與之相連的LED燈發(fā)光.將有機(jī)玻璃管倒過來，再次將強(qiáng)磁鐵自由釋放，同樣觀察到與最下端串聯(lián)的LED燈發(fā)光.通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，利用新穎的自制教具讓學(xué)生觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的求知欲，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，為學(xué)生進(jìn)一步探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件做好鋪墊.

3.2 完成楞次定律演示實(shí)驗(yàn)

螺線管中電壓隨時(shí)間的變化情況如圖4所示.豎直放置有機(jī)玻璃管并將強(qiáng)磁鐵N極向下自由釋放.強(qiáng)磁鐵自由下落經(jīng)過螺線管中部產(chǎn)生感應(yīng)電流，利用電壓傳感器在電腦端記錄得到如圖5所示的圖像.根據(jù)U-t圖像中圖線所處象限得出強(qiáng)磁鐵N極靠近、S極遠(yuǎn)離螺線管時(shí)DIS傳感器中電流流向，結(jié)合螺線管上標(biāo)出漆包線的繞線方向得出螺線管中感應(yīng)電流方向.再次將強(qiáng)磁鐵S極向下自由釋放，得出強(qiáng)磁鐵S極靠近、N極遠(yuǎn)離螺線管時(shí)螺線管中感應(yīng)電流方向.結(jié)合表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探究得到楞次定律.

3.3 探究法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)

3.3.1 保持匝數(shù)n和磁通量變化量ΔΦ不變，定量探究E與Δt的關(guān)系

將分別放置在有機(jī)玻璃管上、中和下三處且相同規(guī)格的螺線管（匝數(shù)相同）與LED燈斷開后，如圖6所示，分3次將DIS電壓傳感器與3個(gè)螺線管串聯(lián).豎直放置有機(jī)玻璃管，分3次將強(qiáng)磁鐵從上面自由釋放，得到如圖7所示的U-t圖像，并在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值.由于穿過螺線管時(shí)強(qiáng)磁鐵下落高度之比為h1∶h2∶h3=1∶4∶9，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律v=2gh，可知經(jīng)過螺線管時(shí)強(qiáng)磁鐵的瞬時(shí)速度之比為v1∶v2∶v3=1∶2∶3.在經(jīng)過螺線管時(shí)位移相同，強(qiáng)磁鐵所需時(shí)間之比為t1∶t2∶t3=xv1∶xv2∶xv3=11∶12∶13.由圖可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值之比E1∶E2∶E3=1∶2∶3.保持匝數(shù)n和磁通量變化量ΔΦ不變，在強(qiáng)磁鐵經(jīng)過螺線管時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與Δt成反比.

3.3.2 保持磁通量變化量ΔΦ和Δt不變，定量探究E與匝數(shù)n的關(guān)系

如圖8所示，取匝數(shù)分別為1200匝、1000匝和800匝的3個(gè)螺線管，分3次固定在有機(jī)玻璃管下端同一位置.讓同一強(qiáng)磁鐵在有機(jī)玻璃管上端同一高度自由下落，從DIS數(shù)據(jù)采集器的電腦端得到U-t圖像.由圖9可知，在保持磁通量變化量ΔΦ和Δt不變的前提下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與螺線管匝數(shù)n成正比.

3.3.3 保持匝數(shù)n和Δt不變，探究E與磁通量變化量ΔΦ的關(guān)系

強(qiáng)磁鐵的疊加會(huì)引起產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，但無法滿足正比關(guān)系，因此本實(shí)驗(yàn)不能定量探究.如圖10所示將下端螺線管與LED燈斷開后，串聯(lián)DIS傳感器.讓一個(gè)磁鐵自由下落通過豎直放置的有機(jī)玻璃管的下端螺線管，得到U-t圖像.第2次、第3次分別將2個(gè)和3個(gè)強(qiáng)磁鐵以疊加的方式同樣自由下落經(jīng)過下端螺線管，得到U-t圖像.強(qiáng)磁鐵疊加之后，強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B會(huì)增大，穿過同一個(gè)螺線管時(shí)磁通量變化量ΔΦ會(huì)增大，即可完成保持匝數(shù)n和Δt不變，探究E與ΔΦ的關(guān)系.由圖11可知，磁通量變化量ΔΦ越大，同一螺線管產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E越大.

3.4解釋電磁阻尼現(xiàn)象

如圖12所示，將固定于有機(jī)玻璃管下端的螺線管與DIS傳感器串聯(lián)，在上端管口靜止釋放強(qiáng)磁鐵，記錄得到U-t圖像.再用導(dǎo)線連接放置于有機(jī)玻璃管中部的螺線管接線柱，使其形成回路.再次，同一高度靜止釋放強(qiáng)磁鐵，強(qiáng)磁鐵依次通過中端、下端螺線管，利用數(shù)據(jù)采集器得到U-t圖像.通過圖13對(duì)比圖發(fā)現(xiàn)，第2次實(shí)驗(yàn)時(shí)位于下端的螺線管中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值與第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值相比有所減小，經(jīng)過多次對(duì)照實(shí)驗(yàn)依舊如此.產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因?yàn)榈?次實(shí)驗(yàn)時(shí)強(qiáng)磁鐵經(jīng)過位于中部的螺線管時(shí)，螺線管產(chǎn)生的感應(yīng)電流致使強(qiáng)磁鐵受到阻礙其下落的磁場(chǎng)力，導(dǎo)致強(qiáng)磁鐵落到位于下端的螺線管時(shí)的速度比第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)過下端螺線管的速度略小，即經(jīng)過下端螺線管的Δt增大.在保持匝數(shù)n和磁通量變化量ΔΦ不變下，Δt增大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E減小.此實(shí)驗(yàn)恰好解釋了電磁阻尼現(xiàn)象.

4 結(jié)束語

本教具的特點(diǎn)：一是設(shè)計(jì)巧妙，趣味性強(qiáng)，利用LED燈光容易吸引學(xué)生眼球，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為教學(xué)做好鋪墊;二是利用有機(jī)玻璃管可讓強(qiáng)磁鐵在較高高度做自由落體運(yùn)動(dòng)而不偏出螺線管內(nèi)部，同時(shí)實(shí)現(xiàn)下落高度的定量實(shí)驗(yàn)，使定量探究成為可能;三是教具實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，原理簡(jiǎn)單，利用DIS傳感器讓數(shù)據(jù)記錄變得實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和便捷;四是一物多用，可做不同的定性或定量實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮了教具的最大作用;五是教具制作取材方便，制作簡(jiǎn)單，成本低廉，適合演示或分組實(shí)驗(yàn).本教具獲得湖州市物理教師自制教具一等獎(jiǎng).教具的不足之處是利用強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，無法通過疊加磁鐵以此實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的正比例增加，也是下一步需要思考和改進(jìn)之處.

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[2]蘇縵，熊建文.自制楞次定律方向指示儀[J].物理通報(bào)，2017（11）：86-87+91.

[3]羅慧.定量探究“法拉第電磁感應(yīng)定律”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理教師，2018，39（10）：59-61.

（收稿日期：2021-01-22）