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        多功能電渦流演示儀

        2022-06-20 13:44:12王澤源
        物理實驗 2022年4期
        關(guān)鍵詞:操縱桿磁鐵渦流

        劉 通,王澤源,于 琪

        (1.天津師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院,天津 300387;2.天津市實驗中學(xué),天津 300074)

        1 高中渦流實驗教學(xué)中的不足

        高中物理教材在“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動”中,分析了感生電動勢,對其形成的原因進行了初步探討后,介紹了渦流及其成因、渦流的熱效應(yīng)和機械效應(yīng)[1]. 在機械效應(yīng)方面,設(shè)置了簡易的電磁阻尼擺實驗和三相電流的電磁驅(qū)動實驗,由于在教學(xué)過程中缺少配套、有效的演示實驗裝置,導(dǎo)致學(xué)生對該部分內(nèi)容的直觀認知有所缺失[2]. 傳統(tǒng)教學(xué)方式與新課改中注重課程的時代性,關(guān)注科技進步和社會發(fā)展需要的教學(xué)理念[3]及教學(xué)目標(biāo)相沖,在一定程度上不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的進一步發(fā)展. 為解決以上問題,本文應(yīng)用渦流的產(chǎn)生機制和機械效應(yīng)原理,制作了集懸浮、制動、驅(qū)動、發(fā)電于一體的多功能電渦流演示儀. 此實驗儀可以讓學(xué)生直觀地觀察到渦流現(xiàn)象,幫助學(xué)生理解渦流的物理圖象. 除教師的講解外,學(xué)生還可以通過原理進一步定性地分析渦流的技術(shù)應(yīng)用.

        2 多功能電渦流演示儀的原理

        2.1 設(shè)計思路

        有關(guān)電磁阻尼和電磁驅(qū)動演示實驗創(chuàng)新與改進的文獻有很多,例如文獻[4]介紹了4種實驗教具的相關(guān)制作和應(yīng)用,文獻[5-6]介紹了釹磁鐵沿金屬板下滑的創(chuàng)新型實驗. 這些演示實驗具備以下優(yōu)點:

        1)演示實驗的現(xiàn)象明顯,能夠引發(fā)學(xué)生探索的興趣和思考.

        2)制作和操作方法簡便,實驗裝置取材方便.

        3)在教具設(shè)計理念方面,部分實驗想法新穎,構(gòu)思巧妙. 另外,還有部分實驗將教材中涉及的實驗進行了改進.

        4)在教具設(shè)計原理方面,部分原理在演示實驗后再向?qū)W生進行解釋,學(xué)生會更容易理解.

        通過以上總結(jié),可以看出目前電磁阻尼和電磁驅(qū)動演示實驗優(yōu)點突出,但不足也較為明顯. 主要表現(xiàn)在以下方面:

        1)時代性:演示實驗與實際生產(chǎn)生活有一定程度的脫離.

        2)推廣性:演示實驗儀器無法批量生產(chǎn).

        3)創(chuàng)新性:目前的實驗改進主要集中于磁鐵在塑料管和鋁管當(dāng)中的運動,蹄形磁鐵貼近鋁盤的制動以及釹磁鐵沿金屬板構(gòu)成的斜面下滑這3個實驗,因此在設(shè)計方面存在一定程度的重復(fù).

        4)發(fā)展性:上述演示實驗不利于進一步拓展和提高學(xué)生對原理的深層次理解.

        基于以上原因,設(shè)計了多功能電渦流演示儀,其設(shè)計理念為:在目前相關(guān)研究成果優(yōu)點的基礎(chǔ)上,聯(lián)系課標(biāo)要求與物理演示實驗的特點,分別從時代性、推廣性、創(chuàng)新性和發(fā)展性4個方面進行思考,綜合解決以往演示實驗出現(xiàn)的問題. 將該演示儀應(yīng)用于課堂教學(xué)中的各個環(huán)節(jié),幫助一線教育工作者構(gòu)建層次清晰、邏輯緊密的課程.

        2.2 演示儀實驗原理

        在電磁設(shè)備中常常存在大塊金屬,當(dāng)這些金屬塊處在變化的磁場中或相對磁場運動時,其內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流,此時可以將金屬看做是由一系列半徑逐漸變化的圓柱狀薄殼組成,每層薄殼自成閉合回路,從而在每層薄殼中產(chǎn)生的電流流線呈閉合渦旋狀,如圖1所示. 將這種金屬導(dǎo)體中的感應(yīng)電流叫做渦電流,渦電流產(chǎn)生的機械效應(yīng)在工程技術(shù)中有著非常廣泛的應(yīng)用.

        圖1 導(dǎo)體中的渦流示意圖

        磁懸浮、電渦流非接觸制動、電渦流非接觸傳動和電渦流發(fā)電這4種現(xiàn)象的原理均為電磁阻尼與電磁驅(qū)動,只是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)置上有一定的差異. 將實驗原理圖簡化為如圖2所示的俯視圖,選取左側(cè)的鋁盤區(qū)域abcd(區(qū)域的大小和形狀可以任意假設(shè))作為研究對象. 演示儀的4個懸臂上懸掛的都是磁鐵,磁鐵的極性不確定,為討論問題的方便,先假設(shè)演示儀中靠近鋁盤的磁鐵面均為N極,磁鐵在鋁盤上方,因此磁感線的方向為垂直紙面向里.

        圖2 電磁阻尼演示

        當(dāng)鋁盤由左向右運動時,穿過鋁盤的磁通量逐漸增加,根據(jù)楞次定律,abcd中將會產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流的方向為逆時針,產(chǎn)生的安培力會阻礙鋁盤進入到磁場區(qū)域中,磁鐵和鋁盤之間的受力情況如圖3所示. 具體表現(xiàn)為: a. 鋁盤受到向下的斥力F1和與鋁盤運動方向相反的切向力F2,如圖3(a)所示;b. 磁鐵受到向上的斥力F1′和與鋁盤運動方向相同的切向力F2′,如圖3(b)所示.

        (a) 鋁盤受力情況 (b) 磁鐵受力情況圖3 受力情況

        下面分別介紹磁懸浮、電渦流非接觸制動、電渦流非接觸傳動和電渦流發(fā)電這4種現(xiàn)象的實驗原理.

        2.2.1 磁懸浮

        采用磁性較弱的磁鐵(對鋁盤運動的影響較小),使其在豎直方向上能夠自由活動,水平方向上被固定,如圖4所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消,達到穩(wěn)定后實現(xiàn)懸浮.

        圖4 磁懸浮懸臂

        2.2.2 電渦流非接觸制動

        采用磁性較強的磁鐵(對鋁盤運動的影響較大),使其被完全固定,即磁鐵既不能在豎直方向上運動也不能在水平方向上自由轉(zhuǎn)動,如圖5所示. 鋁盤將受到豎直向下的力和與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相反的斥力,產(chǎn)生的感應(yīng)電流與磁極發(fā)生相互作用,阻礙鋁盤的運動. 磁鐵和鋁盤之間的距離越近,阻礙效果越明顯;距離過近時,鋁盤幾乎不再轉(zhuǎn)動.

        圖5 電渦流非接觸制動懸臂

        2.2.3 電渦流非接觸傳動

        采用磁性較弱的磁鐵(對鋁盤運動的影響較小),在兩端磁鐵中間銜接可以轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸,這時磁鐵在豎直方向和水平方向上均能夠自由移動,如圖6所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消,除此之外,磁鐵還受到與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相同的力,從而導(dǎo)致懸臂上兩端磁鐵發(fā)生轉(zhuǎn)動. 磁鐵與鋁盤之間的距離越近,轉(zhuǎn)速越快.

        圖6 電渦流非接觸傳動懸臂

        2.2.4 電渦流發(fā)電

        采用磁性較弱的環(huán)狀磁鐵(對鋁盤運動的影響較小),在環(huán)狀磁鐵中間固定轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)軸上連有簡易的發(fā)電機,如圖7所示. 環(huán)狀磁鐵將受到與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相同的力,導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸高速轉(zhuǎn)動,從而帶動內(nèi)部的發(fā)電機發(fā)電,使得發(fā)光二極管發(fā)出明亮的白光.

        圖7 電渦流非接觸傳動懸臂

        3 多功能電渦流演示儀的使用

        3.1 演示儀結(jié)構(gòu)

        實驗裝置如圖8所示,箱體上方左右分別為操縱桿和鋁盤,箱體內(nèi)部有令鋁盤高速轉(zhuǎn)動的電機,操縱桿上有4個懸臂,左側(cè)2個懸臂依次可演示發(fā)電和制動現(xiàn)象,右側(cè)2個懸臂依次可演示傳動和懸浮現(xiàn)象. 根據(jù)演示要求的不同,懸臂上懸掛4塊形狀、磁性不同的磁鐵,用來產(chǎn)生磁場. 操縱桿的最上方為把手,轉(zhuǎn)動把手可以使旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動,從而可分別調(diào)節(jié)4個懸臂轉(zhuǎn)動至鋁盤的正上方. 把手與下端固定桿之間連有彈簧,通過施加力改變彈簧的形變實現(xiàn)懸臂的升降. 演示儀的4個懸臂對應(yīng)4個獨立的實驗現(xiàn)象,其設(shè)計的關(guān)鍵在于懸臂和高速轉(zhuǎn)動的鋁盤. 掌握該演示儀的設(shè)計思路,結(jié)合以上實驗原理,即可發(fā)掘身邊的器材自制與該演示儀相同的教學(xué)演示儀器.

        圖8 多功能電渦流演示儀

        3.2 實驗步驟及現(xiàn)象

        3.2.1 電渦流磁懸浮

        1)按動操縱桿,使磁鐵緩慢靠近鋁盤;

        2)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn),隨著鋁盤轉(zhuǎn)速增加,磁鐵逐漸懸浮;

        3)磁鐵懸浮到一定高度時,將保持在該高度不變.

        3.2.2 非接觸電渦流隔離傳動

        1)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn);

        2)按動操縱桿,使磁鐵緩慢下降;

        3)將旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)到鋁盤上方,隨著旋轉(zhuǎn)桿接近鋁盤,觀察到旋轉(zhuǎn)桿也旋轉(zhuǎn)起來.

        3.2.3 非接觸電渦流制動

        1)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn);

        2)按動操縱桿將磁鐵轉(zhuǎn)到鋁盤上方,且使磁鐵逐漸靠近鋁盤,觀察到鋁盤的轉(zhuǎn)速逐漸減小.

        3.2.4 非接觸電渦流發(fā)電

        1)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn);

        2)按動操縱桿將電渦流微型發(fā)電機轉(zhuǎn)到鋁盤上方,并使其逐漸靠近鋁盤,觀察到微型發(fā)電機迅速轉(zhuǎn)動,并立刻發(fā)電,使得發(fā)光二極管發(fā)出白光.

        在實驗過程中,由于鋁盤轉(zhuǎn)速較高,懸臂上的各裝置不能緊貼鋁盤,以防裝置發(fā)生摩擦而損壞.

        4 多功能電渦流演示儀的設(shè)計特點

        在課堂教學(xué)中,采用多功能演示儀演示與電渦流相關(guān)的各種實驗現(xiàn)象時,能夠產(chǎn)生如下效果:

        1)實驗現(xiàn)象明顯直觀,輔助物理課堂教學(xué),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣. 演示儀涉及的4個實驗是學(xué)生在日常生活中不常遇到的,但在日常生活中又有一定的應(yīng)用,因此通過教師引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象,可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識前先獲得一定的感性認知.

        上述實驗現(xiàn)象能夠讓學(xué)生感到新奇、有趣,進而使學(xué)生在頭腦中形成關(guān)于渦流的物理表象,并意識到用已有的知識基礎(chǔ)不能夠解釋上述現(xiàn)象,產(chǎn)生認知沖突,為后面的渦流概念和應(yīng)用的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).

        2)結(jié)合了楞次定律、渦流和電磁阻尼的原理,幫助學(xué)生完善物理概念的建構(gòu). 渦流是學(xué)生構(gòu)建電磁場理論的重要鋪墊,是完善電磁場理論較為重要的環(huán)節(jié). 如果學(xué)生不能形成對物理概念和物理規(guī)律的完整認知,將可能誤認為物理概念和物理規(guī)律是零散的、毫無邏輯的知識點.

        課堂教學(xué)中,教師可以結(jié)合多功能電渦流演示儀講解渦流及其成因、電磁阻尼和電磁驅(qū)動等內(nèi)容,幫助學(xué)生進一步加深對渦流概念的理解,并用渦流和電磁感應(yīng)的原理正確解釋日常應(yīng)用,從而達到物理概念提煉與升華的目的.

        3)緊密聯(lián)系電渦流在現(xiàn)代工程技術(shù)中的應(yīng)用,引導(dǎo)學(xué)生正確認識STSE(科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境)的關(guān)系,增強其掌握科學(xué)知識的責(zé)任感.

        新課程改革后,高中物理課程在內(nèi)容上更加注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系,在教學(xué)中展現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學(xué)思想尤為重要. 本演示儀的4個現(xiàn)象是現(xiàn)代生產(chǎn)生活應(yīng)用中會涉及到的內(nèi)容,教師可以以此為基礎(chǔ),向?qū)W生介紹一些具體的應(yīng)用案例,例如:磁懸浮列車、渦流制動器等,讓學(xué)生意識到科學(xué)研究和應(yīng)用科學(xué)技術(shù)為生活帶來的便利,以及為國家的綜合國力提升帶來的重要價值,從而促進學(xué)生掌握科學(xué)知識,增強學(xué)生建設(shè)祖國、推進科技發(fā)展的責(zé)任感.

        5 結(jié)束語

        通過對高中渦流演示實驗進行改進,設(shè)計制作了多功能電渦流演示儀,以更好地幫助學(xué)生掌握渦流的相關(guān)知識,構(gòu)建完整的電磁學(xué)理論體系. 同時,通過實驗演示可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的觀察能力,完善學(xué)生物理概念的建構(gòu),為學(xué)生物理觀念的形成奠定了基礎(chǔ),并增強了學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科的動力,從而達到優(yōu)化教學(xué)的效果.

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