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        磁感線分布曲面模型制作及應(yīng)用

        2021-06-06 09:58:36蔣冬玲
        中學(xué)物理·高中 2021年2期

        摘 要:磁感線能直觀地描述磁場性質(zhì),但由于各種條件的限制,它在空間的分布曲面很難被模擬.本文詳細(xì)介紹了圓柱形磁體的磁感線立體分布曲面模型的制作過程.用3D打印機(jī)制作細(xì)密的小磁針板,進(jìn)而應(yīng)用PhotoShop軟件的圖層操作來精確確定磁體的一條磁感線,再在3D One軟件中將這條磁感線經(jīng)旋轉(zhuǎn)獲得磁感線的立體分布曲面,最后用3D打印機(jī)打印出該曲面模型.利用該模型,可演示磁感線、回路面積、磁通量等物理量之間的關(guān)系,便于突破電磁感應(yīng)這節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn).

        關(guān)鍵詞:磁感線;曲面模型; 磁感線分布;3D打印;3D One

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1008-4134(2021)03-0037-03

        作者簡介:蔣冬玲(1973-),女,浙江寧波人,本科,中學(xué)二級教師,研究方向:中學(xué)物理實(shí)驗(yàn).

        在探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件這個實(shí)驗(yàn)時,磁感應(yīng)強(qiáng)度B或回路的面積S發(fā)生變化,通常會有感應(yīng)電流產(chǎn)生.有沒有B和S都發(fā)生變化,卻沒有感應(yīng)電流這種情況呢?為此,教師設(shè)計(jì)如圖1實(shí)驗(yàn),使回路的B和S同時變化,但無感應(yīng)電流產(chǎn)生,讓學(xué)生認(rèn)識到B或S的變化并非是產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)條件.為此,筆者嘗試精確地尋找出某一組磁感線分布面并把它制作成實(shí)物曲面模型,好讓學(xué)生體驗(yàn)到當(dāng)閉合線圈在這個曲面上任意縮放時,卻沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生,從而為引出磁通量概念做鋪墊.現(xiàn)將制作過程介紹如下.

        1 小磁針板的制作

        圖2是一塊以中心軸旋轉(zhuǎn)對稱的圓柱形強(qiáng)磁體,圖中所示圖線是為找出它的圓心.正常情況下,圓柱形強(qiáng)磁的磁感線分布也是軸對稱的.要找出磁感線的分布曲面,首先要精確地畫出它的“某一條”磁感線.實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的小磁針板如圖3,它的孔不夠細(xì)密,很難找到“同一條”磁感線.筆者想到用3D One 軟件畫一塊多孔板,然后用3D打印機(jī)把它打印出來,填上細(xì)鐵絲,蓋上玻璃板,制作一塊小磁針板.

        3D One 是一款很容易入門的軟件,學(xué)習(xí)視頻教程就能夠掌握一些簡單的應(yīng)用了.用3D One軟件來畫小磁針板的畫法有很多,最簡單的是用草圖繪制法來畫.先拉伸出一塊長220mm、寬120mm、高3mm的矩形薄板,然后點(diǎn)擊草圖繪制點(diǎn)擊圓形,在薄板上表面畫個直徑3mm的小圓,將小圓移動到矩形左下角,沿著矩形的長和寬的方向陣列出若干行、若干列小圓(圓心位置,行數(shù)列數(shù)事先計(jì)算好),如圖5.然后點(diǎn)擊任意一個小圓,同一批被陣列出來的小圓全都顯示黃色,表示同時被選中了,將這些小圓往薄板下表面方向拉伸成高1mm的小圓柱,運(yùn)用減運(yùn)算,矩形薄板減去小圓柱,多孔板就做出來了.減運(yùn)算如圖6(圖中是分兩次陣列的,已經(jīng)減運(yùn)算過一次了),點(diǎn)擊小圓選擇拉伸后會跳出來左邊的對話框,對話框紅筆圈出部分的按鈕從左至右分別為基體、加運(yùn)算、減運(yùn)算、交運(yùn)算,在此處選擇減運(yùn)算后點(diǎn)確定鍵就完成了.將多孔板打印出來后填入直徑0.3mm的細(xì)鐵絲,蓋上玻璃板,成品如圖4所示.

        2 精確畫出磁感線

        從圖4可以比較清晰地分辨出磁場的磁感線走向.怎樣把其中一條磁感線精確地提取出來?筆者想到了拍照法.如圖7固定好相機(jī),相機(jī)設(shè)置成延時10秒拍攝以減少震動,放置好強(qiáng)磁鐵和小磁針板,精準(zhǔn)對焦后拍攝第一張照片,效果如圖4.取一張坐標(biāo)紙,輕輕鋪在小磁針板上(如圖8),事先在紙的一條邊上標(biāo)出坐標(biāo)原點(diǎn),將坐標(biāo)原點(diǎn)對準(zhǔn)磁鐵的圓心,紙邊對齊小磁針板邊緣,保持相機(jī)的設(shè)置、強(qiáng)磁鐵和小磁針板的位置不變,拍攝第二張照片.

        打開PhotoShop軟件,點(diǎn)擊菜單欄的文件,打開拍攝的坐標(biāo)紙的圖,然后點(diǎn)擊菜單欄的文件,置入(這里用置入更快捷)拍攝的小磁針板圖,這樣,就將我們拍攝的兩張照片自動疊放在一起了,就跟我們手里拿著兩張上下疊齊的照片是一樣的,只能看到上面的一張照片.但是,PS軟件能夠改變照片的不透明度.運(yùn)用PS軟件,如圖9,在圖層信息欄將兩張圖片改名以方便操作,調(diào)整好圖層位置(PS中上面的圖層遮蓋下面的圖層),改變小磁針板的不透明度,位于下面圖層的坐標(biāo)紙圖層就能被看到了.檢查兩張照片的強(qiáng)磁處,小磁針板邊緣和坐標(biāo)紙的邊緣處重疊得好不好(經(jīng)過上一輪操作,應(yīng)該重疊得很好,重疊不好的建議重新拍攝).將圖層不透明度調(diào)回百分之百,屏幕上又只顯示小磁針板了.點(diǎn)擊圖層信息欄下方的新建圖層(在圖9中圈出位置處),新建的是一個透明圖層,我們要在這個圖層上把點(diǎn)跡畫出來.點(diǎn)擊選擇該圖層,在該圖層中用畫筆工具和橡皮擦工具把“某一條”磁感線經(jīng)過的點(diǎn)仔細(xì)畫出來,如圖10.然后把小磁針板圖層的不透明度降低或直接關(guān)閉該圖層的可見性就可以將坐標(biāo)紙圖層顯示出來.關(guān)閉小磁針板圖層可見性得到圖11.根據(jù)圖11就可以把這些點(diǎn)的坐標(biāo)讀取出來,注意,x軸上的點(diǎn)必須讀?。ù盆F放置在x軸所在平面上).在此可以新建多個圖層尋找多條磁感線.最后將圖片文件保存成PSD格式的文件方便下次操作.

        3 曲面的制作

        再次打開3D One軟件,依次點(diǎn)擊草圖繪制按鈕和通過點(diǎn)繪制曲線按鈕,界面左上角彈出對話框,在該對話框中依次輸入剛才讀取的坐標(biāo),一個坐標(biāo)對應(yīng)一個點(diǎn),點(diǎn)與點(diǎn)之間自動生成曲線相連,如圖12所示.我們看到,軟件上繪制出的這條曲線并不是很順滑,因?yàn)槲覀冇玫氖悄恳暦ㄕ掖鸥芯€上的點(diǎn),軟件在繪制曲線的時候是每點(diǎn)必過,而我們用傳統(tǒng)方法繪制曲線時,對給出的點(diǎn)是有取有舍的,所以我們有必要在軟件上,放大曲線仔細(xì)微調(diào),調(diào)好后的曲線如圖13所示.對比兩條曲線上點(diǎn)的坐標(biāo),可以看出只是進(jìn)行了微調(diào)使曲線更光滑.

        依次點(diǎn)擊草圖編輯按鈕和偏移曲線按鈕,將曲線偏移兩到三個距離后封閉曲線.點(diǎn)擊封閉好的曲線選

        擇旋轉(zhuǎn),以y軸為中心旋轉(zhuǎn)一圈,如圖14就得到了我們要的磁感線分布面.上端畫上放置強(qiáng)磁的凹槽(注意,凹槽的底面與曲面的上端平齊,即x軸所在平面),如圖15,就可以進(jìn)行3D打印了.

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        圖16為打印出來的曲面,將強(qiáng)磁鐵放入,取一根柔軟的漆包線作為導(dǎo)線,構(gòu)成一個形狀、大小可變的回路,但回路必須時刻緊貼在模型面上.為操作方便,將漆包線套上吸管,如圖17所示.短的吸管為便于改變導(dǎo)線的回路面積;長的吸管內(nèi)的漆包線僅為導(dǎo)電用,回路面積忽略不計(jì).將導(dǎo)線接入微電流傳感器,就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了,如圖17.在驗(yàn)證的操作過程中,使導(dǎo)線緊貼著曲面快速地上下移動改變線圈面積,可以發(fā)現(xiàn)量程為正負(fù)1μA的微電流傳感器的指針幾乎不動.

        通過這個磁感線分布曲面模型,可以幫助學(xué)生直觀地理解磁感應(yīng)強(qiáng)度B、回路的面積S和磁通量Φ的

        關(guān)系,解決了探究電磁感應(yīng)規(guī)律中的難點(diǎn)問題.經(jīng)過這次制作,筆者深深地感到,新技術(shù)、新設(shè)備在教學(xué)中有著廣闊的應(yīng)用前景,信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深度融合,將進(jìn)一步促進(jìn)教育技術(shù)的革新.

        參考文獻(xiàn):

        [1]劉毅,渠雷雷.可視化技術(shù)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用初探——以《幾種常見的磁場》為例[J].中學(xué)物理,2018,38(13):65.

        (收稿日期:2020-10-23)

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