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        自制楞次定律探究儀

        2022-11-02 01:12:40鄧浩儀李德安張軍朋
        物理實(shí)驗(yàn) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:楞次定律磁通量感應(yīng)電流

        鄧浩儀,李德安,張軍朋

        (華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

        楞次定律是高中階段較為抽象的物理規(guī)律[1],本文通過分析教材中楞次定律傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足,總結(jié)其教學(xué)難點(diǎn),自制了楞次定律探究儀.利用該儀器探究了感應(yīng)磁場和感應(yīng)電流的方向,實(shí)驗(yàn)操作簡單,易于教師演示和學(xué)生理解.

        1 教材中楞次定律實(shí)驗(yàn)的不足

        楞次定律是高中物理電磁學(xué)部分的重點(diǎn)內(nèi)容.經(jīng)對比多個(gè)版本的教材,發(fā)現(xiàn)教材中的楞次定律實(shí)驗(yàn)均是通過將磁鐵插入、拔出線圈,觀察靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)來判斷產(chǎn)生感應(yīng)電流的磁場方向,然后總結(jié)得出楞次定律[2].教材中的實(shí)驗(yàn)主要存在以下不足:

        1)靈敏電流計(jì)的構(gòu)造較為復(fù)雜,學(xué)生無法觀察到內(nèi)部構(gòu)造,實(shí)驗(yàn)前學(xué)生需要清楚電流表指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向的對應(yīng)關(guān)系.

        2)靈敏電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)時(shí)間較短,直觀對比性不強(qiáng).

        3)教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是讓學(xué)生通過觀察感應(yīng)電流方向去判斷感應(yīng)磁場的方向,而又總結(jié)出通過感應(yīng)磁場方向去判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律,其邏輯關(guān)系容易使學(xué)生產(chǎn)生困惑,并讓學(xué)生不能很好地體會(huì)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場對閉合回路中的原磁通量變化的阻礙作用.

        2 楞次定律的教學(xué)難點(diǎn)

        楞次定律是電磁學(xué)部分較為抽象的內(nèi)容,對培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力、綜合運(yùn)用能力和分析解決實(shí)際問題的能力起到至關(guān)重要的作用.學(xué)生在學(xué)習(xí)楞次定律時(shí)主要存在以下困難:

        1)楞次定律涉及的因素較多,例如磁場方向、磁通量的變化、感應(yīng)電流方向等,學(xué)生容易混淆.

        2)學(xué)生需找出多個(gè)物理量之間的關(guān)系,并總結(jié)出規(guī)律.由于該規(guī)律隱晦,需要學(xué)生具有極強(qiáng)的概括能力,對學(xué)生來說具有較大的挑戰(zhàn)[3-4].

        3 楞次定律演示儀的制作

        基于對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)難點(diǎn)的分析,自制了楞次定律探究儀,解決了上述問題,并有利于教師開展課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué).

        3.1 實(shí)驗(yàn)器材

        圓柱亞克力(2個(gè))、90°直角支架固定器角鐵(2個(gè))、5 mm紅色發(fā)光二極管(15個(gè))、5 mm白色發(fā)光二極管(15個(gè))、洞洞板(2片)、強(qiáng)力磁鐵(2個(gè))、鋁管(1個(gè))、雪弗板(若干)、純銅漆包線(直徑為0.55 mm)、圓木棍(直徑為1 cm)、香蕉插頭及配對插座、電工膠布、導(dǎo)線(若干)、美工刀、焊錫、焊錫筆、剝線鉗、熱熔槍、馬克筆等.

        3.2 制作方法

        3.2.1 線圈的制作

        1)利用鋁管作為纏繞線圈的模具,以便增強(qiáng)“來拒去留”的相互作用效果.將漆包線繞鋁管纏繞約1 000匝,并用電工膠布固定,始末均預(yù)留出漆包線以便與發(fā)光二極管組件連接;

        2)用美工刀刮去約3 cm長的漆包線絕緣層.

        3.2.2 發(fā)光二極管組件的制作

        1)由于繞制的線圈所產(chǎn)生的電動(dòng)勢較小,不足以讓串聯(lián)的發(fā)光二極管發(fā)光,因此可以將發(fā)光二極管插在洞洞板上排列成三角形,并以并聯(lián)的方式進(jìn)行焊接,以便達(dá)到更好的視覺效果;

        2)使用美工刀切割得到1塊15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板,在其中間鏤空2個(gè)左右位置對稱但方向相反的三角形,大小與前面排列的發(fā)光二極管一致;

        3)將焊接好的發(fā)光二極管嵌入到雪弗板中,在雪弗板前面用馬克筆畫好并聯(lián)的電路,背后利用熱熔槍固定好2個(gè)香蕉頭,并用導(dǎo)線連接好發(fā)光二極管,如圖1所示.

        圖1 發(fā)光二極管組件

        3.2.3 導(dǎo)線組件的制作

        使用美工刀切割得到1塊15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板,在其一面用馬克筆畫1條直線表示導(dǎo)線,另一面利用熱熔槍固定好2個(gè)香蕉頭,并用導(dǎo)線連接.

        3.2.4 楞次小車的制作

        1)用美工刀切割得到2塊10 cm×60 cm×0.9 cm和1塊40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板;

        2)用1塊10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板做小車底板,用貼好小車輪子的圓柱亞克力充當(dāng)小車車輪;

        3)在40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板上挖4個(gè)孔(2個(gè)孔用于安裝線圈,2個(gè)孔用于安裝香蕉頭的插座),垂直放置在小車底板的中央,并利用直角支架固定器角鐵進(jìn)行固定;

        4)為了能制停小車,用1塊10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板充當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)的底面,并在其上面固定好4根直徑為1 cm的圓木棍;

        5)畫上電路圖,楞次定律探究儀制作完成,如圖2所示.

        圖2 楞次定律探究儀

        4 楞次定律探究儀的使用

        4.1 探究感應(yīng)磁場方向與原磁場方向的關(guān)系

        1)如圖3所示,將N極插入或拔出線圈,觀察小車的運(yùn)動(dòng)方向,并記錄線圈與磁鐵的關(guān)系(排斥或吸引).

        (a)插入線圈

        2)改變磁極方向,將S極插入或拔出線圈,并記錄線圈與磁鐵的關(guān)系.

        3)根據(jù)磁極的相互作用規(guī)律和觀察到的現(xiàn)象,判斷感應(yīng)磁場方向與原磁場方向的關(guān)系(相同或相反),進(jìn)一步分析感應(yīng)磁場對原磁通量的影響,總結(jié)得到表1的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

        表1 探究感應(yīng)磁場方向與原磁場方向關(guān)系的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄表

        由表1可以得出:當(dāng)線圈中的磁通量增加時(shí),感應(yīng)磁場方向與原磁場方向相反;當(dāng)線圈中的磁通量減少時(shí),感應(yīng)磁場方向與原磁場方向相同,即感應(yīng)磁場總是阻礙原磁通量的變化.

        4.2 探究感應(yīng)電流方向

        1)如圖4所示,將發(fā)光二極管的組件替換為導(dǎo)線組件,通過感應(yīng)磁場方向與原磁場方向的關(guān)系,讓學(xué)生運(yùn)用“右手螺旋定則”判斷感應(yīng)電流的方向.

        (a)插入線圈

        2)撤去小車車輪,將N極插入或拔出線圈,觀察并記錄發(fā)光二極管的亮滅情況.

        3)將S極插入或拔出線圈,觀察并記錄發(fā)光二極管的亮滅情況.得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見表2.

        表2 探究感應(yīng)電流方向的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

        綜合以上實(shí)驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:閉合回路中,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.

        5 結(jié)束語

        該自制楞次定律探究儀將探究感應(yīng)電流的方向等價(jià)轉(zhuǎn)換為探究感應(yīng)磁場的方向,通過讓學(xué)生動(dòng)手感受線圈阻礙磁鐵的相對運(yùn)動(dòng),將感應(yīng)磁場對原磁通量變化的“阻礙”作用具體化,幫助學(xué)生更好地理解楞次定律中“阻礙”的含義,再利用安培定則得到感應(yīng)電流的方向并驗(yàn)證.該教具將感應(yīng)電流和感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場這2個(gè)變量分開,減少了學(xué)生學(xué)習(xí)楞次定律時(shí)的干擾性思維,讓學(xué)生不必集中注意在過多的變量上,從而有利于學(xué)生更深層次地理解楞次定律.

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