尤仁才

摘 要：實(shí)驗(yàn)探究能力是物理學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，本文從簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)開始，引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，分析原因，逐步解決問題，終創(chuàng)作出彩燈和改進(jìn)彩燈。通過探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)的魅力，感受到發(fā)明創(chuàng)作的不易卻有趣，同時(shí)也有助于理解發(fā)電機(jī)的原理。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn);磁鐵;線圈

學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)，內(nèi)化具有物理學(xué)科特有的品質(zhì)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分[1]。通過高中的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該具有發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決實(shí)驗(yàn)問題的能力。在學(xué)生學(xué)習(xí)了電勢(shì)感應(yīng)定律之后，為了向?qū)W生展示如何利用所學(xué)的知識(shí)來創(chuàng)造“奇跡”（磁生電），制造發(fā)電機(jī)。為此，本文結(jié)合教材內(nèi)容和學(xué)生的水平，制作了以下的實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，同時(shí)也可以為后續(xù)學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)電機(jī)原理做鋪墊。

一、拋出問題

展示如圖1實(shí)驗(yàn)裝置，其中電表采用量程為3V的電壓表，而不采用G表，目的是緩慢插入或拔出條形磁條螺線管，讓指針微小擺動(dòng)。拋出問題：如何讓指針擺動(dòng)幅度大點(diǎn)，即產(chǎn)生較大電流？學(xué)生一般都會(huì)提出：加快條形磁鐵的速度，加強(qiáng)磁鐵的磁性。如圖2：在條形磁鐵一端加在2個(gè)圓形強(qiáng)磁鐵，再次迅速插入或拔出螺線管，電壓表的指針明顯擺動(dòng)，最大電壓可達(dá)到約為1V。此時(shí)提出問題：產(chǎn)生的電能否讓LED燈亮起來？

二、點(diǎn)亮LED燈

展示實(shí)驗(yàn)裝置如圖3，實(shí)驗(yàn)采用的LED燈的額定電壓為3V。先用圖2的磁鐵迅速插入或拔出螺線管，結(jié)果LED燈發(fā)出微弱的光。如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，才能使LED燈的亮度更亮？

先實(shí)行方案一：線圈匝數(shù)n，橫截面積S不變，根據(jù)公式，可知為了產(chǎn)生更大的電動(dòng)勢(shì)，則需要增大磁通量變化△BS或減小磁通量變化的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）先增大磁通量變化△BS：增加強(qiáng)磁鐵的個(gè)數(shù)，再迅速把磁鐵插入或拔出螺線管。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用6個(gè)圓形強(qiáng)磁鐵，效果最好且便于操作，結(jié)果LED燈變亮。

（二）接著減小磁通量變化的時(shí)間：采用如圖4裝置，在螺線管中插入一空心透明塑料管，其直徑約為2.5cm，長(zhǎng)度約為0.5m，磁鐵從塑料管上端靜止釋放，則可以增大磁鐵穿過螺線管的速度，減小磁通量變化時(shí)間。螺線管下方墊一海綿，以保護(hù)下落的磁鐵。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：磁鐵從塑料管下落穿過螺線管時(shí)，LED燈會(huì)發(fā)出較亮的光，但未達(dá)到在額定電壓工作下的亮度。

為了進(jìn)一步增加LED的亮度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，把塑料管的長(zhǎng)度換成1.5m，直徑不變?nèi)?。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LED的亮度幾乎沒什么變化。分析原因：根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間，可計(jì)算出磁鐵從0.5m和1.5m的塑料管中自由下落的時(shí)間差約為0.2s，再加上阻力的影響，兩管磁通量變化的時(shí)間差很小，所以對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響不大。為了繼續(xù)讓LED燈更亮，提出方案二。

方案二：在磁場(chǎng)強(qiáng)度B不變情況下，改變線圈的匝數(shù)n和面積

根據(jù)磁通量變化公式，磁場(chǎng)穿過線圈的有效面積越大，磁通量變化越大。線圈的面積該為多大？為此，先用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)所用磁鐵周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖5，磁鐵最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為23.43mT，在距磁鐵中心約2.5cm處其的磁性衰減為2.88mT。用上文中同一型號(hào)螺線管的漆包線繞著直徑約為2.5cm的空心塑料管做一線圈，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6，線圈兩端與LED燈相連接。線圈的總長(zhǎng)度與螺線管的繞線長(zhǎng)度一樣，橫截面積約為原螺線管的，則新繞制的線圈匝數(shù)約為原螺線管的2倍，匝數(shù)約為700匝，穿過線圈的磁場(chǎng)面積S可認(rèn)為與穿過螺線管一致，則根據(jù)公式，可知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)將近為原來2倍。

把磁鐵同樣從長(zhǎng)為0.5m塑料管一端靜止釋放，發(fā)現(xiàn)LED燈亮度明顯變大，幾乎與額定電壓工作下的一樣。

三、制作彩燈[2]

自制的儀器如圖7：按圖7的方法在塑料管不同位置繞制線圈，每個(gè)線圈與不同顏色的LED燈相連接，并用透明膠布把線圈包起來，以防止線圈中漆包線受到破壞，塑料管兩端塞些海綿，以保護(hù)磁鐵，將磁鐵置于塑料管子，擰緊蓋子?？伤交蛏舷禄蝿?dòng)塑料管，磁鐵在線圈中穿梭，LED燈各自發(fā)出不同顏色的光。搖晃塑料管的速度越快，LED燈的亮度越亮，這個(gè)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來極大的震撼。

由于磁鐵在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)經(jīng)常裂開，則對(duì)上面自制儀器做些改進(jìn)：把磁鐵固定在兩根木棍中間，接有不同顏色LED燈的線圈用膠布黏在一起形成線圈組，套在木棍上，如圖8。線圈組可在木棍上移動(dòng)，穿過磁鐵，發(fā)出五顏六色的光。

在線圈靠近磁鐵運(yùn)動(dòng)的過程中，發(fā)現(xiàn)有些線圈的LED不亮，改變線圈的方向，LED燈又亮，繼而又可引導(dǎo)學(xué)生思考。實(shí)驗(yàn)中采用的LED燈具有單向性，為了讓運(yùn)動(dòng)線圈上的LED燈隨機(jī)都能亮，可在線圈上并聯(lián)正負(fù)極相反的LED燈，同時(shí)也使得彩燈更加靚麗多彩。

以上實(shí)驗(yàn)都是采用線圈或磁鐵做直線運(yùn)動(dòng)，那么能否用不同的運(yùn)動(dòng)方式來產(chǎn)生電？如圖9，把接有LED燈的線圈套在一塑料圈上，一輕質(zhì)鋁管（或木棍）穿過塑料圈，且固定在塑料圈上。把該裝置置于馬蹄形磁鐵中，如圖10。轉(zhuǎn)動(dòng)鋁管，則可帶動(dòng)線圈繞鋁管旋轉(zhuǎn)，LED發(fā)出亮光。同樣，若想要看到更多顏色的光，可在線圈在并聯(lián)不同顏色的LED燈，或在鋁管上套上更多的線圈。

最后可向?qū)W生說明，以上兩種彩燈實(shí)際上就是發(fā)電機(jī)的兩種類型：磁鐵為定子和線圈為定子。發(fā)電機(jī)的原理實(shí)際上就是：磁生電，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電。

結(jié)束語

通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)一步步引導(dǎo)學(xué)生思考問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，解決問題，分析原因，創(chuàng)作彩燈，改進(jìn)彩燈，可讓學(xué)生體會(huì)發(fā)電機(jī)的整個(gè)發(fā)明過程，了解科學(xué)創(chuàng)新的方法和思維，并能從中體會(huì)到實(shí)驗(yàn)的魅力和所帶來的震撼，享受智慧的結(jié)晶。也可讓學(xué)生體會(huì)到看似復(fù)雜的東西，其實(shí)背后的原理很簡(jiǎn)單：磁生電，這就是物理學(xué)的美。

參考文獻(xiàn)

[1]黃利軍.淺談基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)——以“實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2019（10）：39-41.

[2]袁錦成，潘蓉.感應(yīng)電流產(chǎn)生器的制作與使用[J].物理教師，2019（2）：68-69.