李瑞鵬

(寧夏回族自治區(qū)石嘴山市第三中學(xué),寧夏 石嘴山 753000)

1 引言

楞次定律是高中電磁學(xué)教學(xué)的重點和難點,一是其涉及的因素多，包括原磁場方向、磁通量變化、線圈繞向、感應(yīng)電流方向、感應(yīng)電流的磁場方向等;二是規(guī)律的抽象性和概括性很強。傳統(tǒng)實驗從判斷感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件入手,構(gòu)建各相關(guān)量的關(guān)系,從而引導(dǎo)學(xué)生進行分析、歸納,總結(jié)得出感應(yīng)電流的磁場與原磁場磁通量變化的關(guān)系。[1]該實驗過程復(fù)雜,現(xiàn)象繁多。另外楞次定律的表述言簡意賅,學(xué)生剛開始學(xué)習,通常不能準確領(lǐng)會它的涵義。

利用DIS設(shè)計楞次定律實驗,[2]手持條形磁鐵在感應(yīng)線圈中沿直線來回運動,借助微電流傳感器可得到感應(yīng)電流的波形圖(圖1)。通過圖像學(xué)生雖然可以直觀地感知感應(yīng)電流隨時間的變化,但卻不能直觀感知原磁場、感應(yīng)電流的磁場的變化。為了幫助學(xué)生直觀形象地理解楞次定律所揭示的規(guī)律,筆者改進了利用DIS的楞次定律實驗,運用圖像方法呈現(xiàn)“增反減同”的實驗結(jié)果。

圖1

2 實驗原理

楞次定律揭示了感應(yīng)電流的磁場對原磁場磁通量的變化有“阻礙”作用。由Φ=BS可知，在線圈面積不變的情況下,原磁場磁通量的變化由原磁場磁感應(yīng)強度的變化導(dǎo)致,因此設(shè)計楞次定律實驗時主要以探究感應(yīng)電流的磁場與原磁場的關(guān)系為目標,實驗可以設(shè)計為兩條主線。

2.1 探究感應(yīng)電流的磁場特點

考慮到原磁場的干擾，感應(yīng)電流磁場的磁感應(yīng)強度不能直接用磁傳感器測量,可先用微電流傳感器測量感應(yīng)電流,將微電流傳感器與線圈串聯(lián)后接入數(shù)據(jù)采集器，當條形磁鐵靠近和遠離線圈時,利用數(shù)據(jù)采集軟件可以在電腦屏上顯示感應(yīng)電流的大小和方向隨時間的變化關(guān)系(i-t圖像),再依據(jù)電流的磁效應(yīng)和安培定則將感應(yīng)電流隨時間變化的圖像(i-t圖像)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流磁場的磁感應(yīng)強度隨時間變化的圖像(B-t圖像)。

2.2 探究原磁場的特點

原磁場的磁感應(yīng)強度可直接用磁傳感器測量,為了避免感應(yīng)電流磁場對原磁場的影響,可將線圈撤掉,保持其他實驗器材位置不變使用條形磁鐵重復(fù)探究感應(yīng)電流的實驗過程,由數(shù)據(jù)采集軟件得到條形磁鐵靠近和遠離線圈時原磁場的磁感應(yīng)強度隨時間的變化圖像(B0-t圖像)。通過分析對比B-t圖像和B0-t圖像,得出實驗結(jié)論。

3 實驗過程及結(jié)果分析

3.1 探究感應(yīng)電流的特點

如圖2所示,實驗用到的器材有：微電流傳感器、條形磁鐵、銅線圈、兩本字典組成的穩(wěn)定平臺等。微電流傳感器的紅黑表筆分別接銅線圈的左右兩端,條形磁鐵置于穩(wěn)定平臺上劃線處,S極指向線圈。

圖2

打開數(shù)據(jù)采集軟件,點擊“開始”“校準”按鈕,當時間到10 s時,將條形磁鐵沿穩(wěn)定平臺快速推進線圈,并在線圈中停留大概10 s,在20 s時將條形磁鐵沿原路快速拔出線圈,電腦顯示屏上得到感應(yīng)電流隨時間的變化圖像(圖3),由圖3可知：只有穿過閉合線圈的磁通量變化時,線圈中才會產(chǎn)生感應(yīng)電流,并且在條形磁鐵進入與離開線圈時產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向不同。

圖3

3.2 定性分析感應(yīng)電流的磁場

磁感應(yīng)強度是矢量,分析感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場特點應(yīng)從以下兩個方面入手。

(1) 磁感應(yīng)強度強弱的判斷：根據(jù)電流的磁效應(yīng),感應(yīng)電流的磁場強弱與感應(yīng)電流大小變化同步,感應(yīng)電流增大(或減小)時，感應(yīng)電流的磁場也會增強(或減弱)。

(2) 磁感應(yīng)強度方向的判斷：微電流傳感器中電流紅進(黑出)為正,利用圖2所連電路結(jié)合右手定則可分析出：當感應(yīng)電流為正值時,感應(yīng)電流的磁場方向向右；當感應(yīng)電流為負值時,感應(yīng)電流的磁場方向向左。既然感應(yīng)電流磁場的強弱和方向與感應(yīng)電流的大小和方向存在這種必然的聯(lián)系,因此可將感應(yīng)電流隨時間變化的圖像(i-t圖像)做進一步處理,轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流磁場的磁感應(yīng)強度隨時間變化的圖像(B-t圖像),這樣一來,該圖像縱軸就表示感應(yīng)電流磁場的磁感應(yīng)強度,正半軸表示感應(yīng)電流磁場沿線圈軸向向右,負半軸表示感應(yīng)電流磁場沿線圈軸向向左(圖4)。

圖4

3.3 探究原磁場的特點

如圖5所示,將磁傳感器放置在線圈所在位置,為了避免線圈對原磁場干擾，將線圈撤走,條形磁鐵同樣置于穩(wěn)定平臺上劃線處,N極指向線圈原來所在位置。

圖5

打開專用數(shù)據(jù)采集軟件,點擊“開始”“校準”按鈕,10 s時將條形磁鐵沿穩(wěn)定平臺快速推進線圈,并在線圈中停留大概10 s,20 s時將條形磁鐵沿原路快速拔出線圈,電腦顯示屏上得到如圖6所示的原磁場磁感應(yīng)強度隨時間的變化圖像(B0-t圖像),由于條形磁鐵S極向右,結(jié)合圖像可知原磁場向右也為正。

圖6

3.4 結(jié)果分析

結(jié)合物理過程，對比分析圖4和圖6,當條形磁鐵S極進入線圈時,原磁場的磁感應(yīng)強度反向增強,感應(yīng)電流磁場的磁感應(yīng)強度先正向增強,后減小為零;當條形磁鐵置于線圈中靜止不動時,感應(yīng)電流磁場的磁感應(yīng)強度為零;當條形磁鐵的S極離開線圈時,原磁場的磁感應(yīng)強度反向減弱,感應(yīng)電流磁場的磁感應(yīng)強度先反向增加,后減小為零,總結(jié)上述對比分析,得出：感應(yīng)電流的磁場對原磁場的變化有“阻礙”作用,并且“阻礙”不僅是“反抗”原磁場的增加,同時又是“補償”原磁場的減弱,即“增反減同”。

以上兩組探究實驗都是在條形磁鐵S極進入和離開線圈時得出結(jié)論,要驗證實驗結(jié)論,可以調(diào)換條形磁鐵的磁極,讓N極指向線圈在一定的時刻快速插入和拔出線圈,重復(fù)以上實驗過程,可得到原磁場的B0-t圖像(圖7)和感應(yīng)電流磁場B-t圖像(圖8),分析可知結(jié)果與得到的實驗結(jié)論相符。

圖7

圖8

4 實驗教學(xué)評價與反思

與傳統(tǒng)實驗相比,本實驗設(shè)計更加突出楞次定律的本質(zhì)，即探究感應(yīng)電流的磁場與原磁場的關(guān)系,實驗?zāi)康母用鞔_。微電流傳感器、磁傳感器的使用將學(xué)生無法直接感知的物理現(xiàn)象和過程轉(zhuǎn)化為更容易接受和理解的圖像,利用圖像對比感應(yīng)電流的磁場與原磁場的關(guān)系特點,結(jié)論顯而易見，邏輯關(guān)系更加簡單,有助于加深學(xué)生對物理現(xiàn)象、規(guī)律的認識與理解。