“電磁感應(yīng)”中三個(gè)自制實(shí)驗(yàn)的妙用

曹 會(huì) 張 飛

(江蘇省外國(guó)語(yǔ)學(xué)校,江蘇 蘇州 215104)

“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”、“楞次定律”、“法拉第電磁感應(yīng)定律”是“電磁感應(yīng)”的核心內(nèi)容.這三節(jié)均是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)而總結(jié)出規(guī)律的教學(xué),所以實(shí)驗(yàn)是教學(xué)成功的關(guān)鍵因素.筆者根據(jù)教學(xué)需要“量身定制”了3套實(shí)驗(yàn)裝置,謹(jǐn)以此文與大家分享.

1 “探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”演示實(shí)驗(yàn)

1.1 原有實(shí)驗(yàn)不足

教材以“切割磁感線”的抽象化模型來(lái)說(shuō)明面積的改變也可以產(chǎn)生感應(yīng)電流.筆者認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)原有“切割”結(jié)論的定勢(shì)思維已經(jīng)形成,不利于說(shuō)明面積改變的這一因素.本節(jié)課課本給出的實(shí)驗(yàn)裝置均無(wú)法改變閉合回路與磁場(chǎng)之間的角度,更無(wú)法進(jìn)一步全面綜合探究分析.

1.2 所需器材及裝置(見圖1)

圖1

純凈水桶(桶直徑約27cm)2只、漆包線(直徑0.71mm)約700m、裝修用塑料天花板50cm(可用木板代替)、滑動(dòng)變阻器(50Ω)、電動(dòng)自行車充電器(36V,提供較高電壓直流電,增強(qiáng)勻強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度)、兩片細(xì)木板、螺絲釘8只、寬透明膠帶、軟質(zhì)線圈、靈敏電流計(jì)、電鍵、導(dǎo)線若干.

1.3 制作要點(diǎn)

用鋼鋸把兩只桶從適當(dāng)處鋸開獲得如圖1所示兩段.用銼刀把鋸口打磨平整以免實(shí)驗(yàn)操作時(shí)傷手,再利用兩段桶的凹槽部分(寬約8.5cm)按照同一方向纏繞漆包線,每一只桶分別纏繞4層(約400匝).為了保護(hù)漆層,每層漆包線外用寬透明膠帶纏繞一層.把繞制好的兩只大螺線管導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái),并用兩條細(xì)木板通過螺絲釘連接固定如圖1所示.兩段桶間留一定的距離(約15cm)以保證一只手方便操作為宜,塑料天花板鋪放在其間充當(dāng)線圈運(yùn)動(dòng)的操作臺(tái).漆包線線頭均用細(xì)沙紙除去漆層.用帶鱷魚夾導(dǎo)線把電動(dòng)自行車充電器正負(fù)極與圖1中兩接線頭相連.

1.4 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

自制的兩只通電大螺線管間提供了一個(gè)較大的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,從而給操作者搭建了一個(gè)靈活探究的“舞臺(tái)”,使感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的相關(guān)因素能夠通過此磁場(chǎng)區(qū)域全面進(jìn)行探究.

1.5 實(shí)驗(yàn)操作及應(yīng)用

(1)把電動(dòng)自行車充電器、電鍵、滑動(dòng)變阻器、自制大螺線管連接成回路,軟質(zhì)線圈與靈敏電流計(jì)組成另一回路.

(2)接通電源,閉合電鍵,僅把軟質(zhì)線圈沿著操作臺(tái)平移進(jìn)磁場(chǎng)區(qū)域過程中,發(fā)現(xiàn)有感應(yīng)電流產(chǎn)生,學(xué)生認(rèn)為此現(xiàn)象可以用“切割”理論解釋.線圈繼續(xù)進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域移動(dòng),沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生,切割理論解釋碰到困難,發(fā)生認(rèn)知沖突！激發(fā)學(xué)生猜想:感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁場(chǎng)變化有關(guān).然后再斷開、閉合電鍵或者改變滑動(dòng)變阻器阻值來(lái)驗(yàn)證猜想.

(3)閉合電鍵,保持自制大螺線管中電流不變,則勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度不變.只改變軟質(zhì)線圈面積,發(fā)現(xiàn)也會(huì)有感應(yīng)電流,得到結(jié)論:閉合線圈的面積變化也可以引起感應(yīng)電流.進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)線圈實(shí)現(xiàn)線圈平面與磁場(chǎng)之間角度的改變,也有感應(yīng)電流產(chǎn)生.

總結(jié)以上結(jié)論發(fā)現(xiàn):以上3個(gè)因素均是導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化的誘因,進(jìn)而得出最終結(jié)論.

2 “楞次定律”中的“來(lái)拒去留”實(shí)驗(yàn)

2.1 原有實(shí)驗(yàn)不足

圖2

“楞次定律”教材課后習(xí)題第6題的小實(shí)驗(yàn)如圖2所示.此實(shí)驗(yàn)“來(lái)拒去留”現(xiàn)象較好地詮釋了楞次定律的正確性,但筆者發(fā)現(xiàn)若采用磁性較弱的磁鐵實(shí)驗(yàn)時(shí),因阻力作用及加速度較小等因素不會(huì)出現(xiàn)明顯的“來(lái)拒去留”現(xiàn)象,輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象很容易被學(xué)生誤解為手拿磁鐵運(yùn)動(dòng)引起空氣流動(dòng)導(dǎo)致.若采用強(qiáng)磁鐵(釹磁鐵)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),則會(huì)意外發(fā)現(xiàn)不閉合鋁環(huán)也會(huì)出現(xiàn)“來(lái)拒去留”的現(xiàn)象,主要原因是實(shí)驗(yàn)室成品儀器鋁環(huán)厚度較大,容易產(chǎn)生渦流,從而產(chǎn)生上述現(xiàn)象.

2.2 所需器材及裝置(見圖3)

圖3

鋁質(zhì)“易拉罐”2只,輕質(zhì)吸管,透明膠帶,鉛筆(或圓珠筆),強(qiáng)磁鐵(釹磁鐵).

2.3 制作要點(diǎn)

用剪刀把一只“易拉罐”裁剪出寬約1cm兩截鋁環(huán),用細(xì)沙紙把邊沿打磨平整,用膠帶把兩只鋁環(huán)固定在吸管兩端,其中一只鋁環(huán)剪斷成不閉合鋁環(huán).用電烙鐵尖端輕輕的在吸管中點(diǎn)位置點(diǎn)出一個(gè)稍比圓珠筆頭大點(diǎn)的孔(注意不要把小孔對(duì)著的吸管壁弄破),把鉛筆(或圓珠筆)筆尖插入小孔倒立插入另一只“易拉罐”中,并調(diào)整筆桿保持豎直穩(wěn)定.

2.4 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

此裝置取材方便,制作簡(jiǎn)單,可以讓學(xué)生課前每人制作一套器材進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn),鉛筆(圓珠筆)筆尖與吸管壁間摩擦較小,利用“易拉罐”所做的鋁環(huán)及吸管質(zhì)量較輕,產(chǎn)生加速度較大.鋁環(huán)較薄減弱渦流發(fā)生而避免不閉合鋁環(huán)出現(xiàn)“來(lái)拒去留”的現(xiàn)象.

2.5 實(shí)驗(yàn)操作及應(yīng)用

(1)磁鐵靠近和遠(yuǎn)離不閉合鋁環(huán),沒有任何現(xiàn)象產(chǎn)生,說(shuō)明無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生,磁鐵與鋁環(huán)間無(wú)相互作用.

(2)磁鐵靠近和遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán),有“來(lái)拒去留”現(xiàn)象,是什么原因造成的呢？激發(fā)了學(xué)生討論:閉合鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,感應(yīng)電流產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng),感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)間產(chǎn)生了力的作用.當(dāng)靠近時(shí)相互排斥,則說(shuō)明感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相反,阻礙了鋁環(huán)中磁通量的增加;當(dāng)遠(yuǎn)離時(shí)相互吸引,則說(shuō)明感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)方向相同,阻礙了鋁環(huán)中磁通量的減少,進(jìn)一步總結(jié)出感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)間“增反減同”的本質(zhì).

3 “法拉第電磁感應(yīng)定律”演示實(shí)驗(yàn)

3.1 原有實(shí)驗(yàn)不足

“法拉第電磁感應(yīng)定律”課堂教學(xué)中,需要演示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化量、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化時(shí)間之間的定性關(guān)系.筆者用教材中“楞次定律”的實(shí)驗(yàn)重做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):無(wú)法準(zhǔn)確控制磁通量變化量一定和變化時(shí)間一定,教師隨意性的實(shí)驗(yàn)演示缺乏規(guī)范性,在此基礎(chǔ)上的推理缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性.

3.2 所需器材及裝置(見圖4)

圖4

可拆卸變壓器線圈1只,教師用木制三角板,開口有底的透明白酒塑料包裝盒(以下簡(jiǎn)稱“包裝盒”),條形磁鐵,寬透明膠帶,靈敏電流計(jì),導(dǎo)線2根.

3.3 制作要點(diǎn)

用寬透明膠帶把線圈固定在三角板的直角端點(diǎn)處,用導(dǎo)線把靈敏電流計(jì)與線圈連接好,把三角板的另一端搭在鐵架臺(tái)支架上即可.

3.4 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

此實(shí)驗(yàn)具有取材方便、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、課堂耗時(shí)短等特點(diǎn).利用裝置可以控制磁通量定量改變,改變?nèi)前迮c桌面間角度,就可以達(dá)到改變磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間的目的,規(guī)避了原來(lái)手拿磁鐵直接插入螺線管隨意性的缺點(diǎn).

3.5 實(shí)驗(yàn)操作及應(yīng)用

(1)用膠帶把包裝盒固定在三角板的長(zhǎng)直角邊上,條形磁鐵放在有底的包裝盒內(nèi),控制磁鐵每次在盒內(nèi)下滑的起點(diǎn)不變(保證磁通量變化一定),改變?nèi)前迮c桌面之間的角度(保證下滑時(shí)間改變),觀察電流計(jì)偏轉(zhuǎn)的最大角度.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),三角板與桌面之間角度越大,磁鐵下滑越快,感應(yīng)電流越大.

(2)三角板與桌面之間的角度固定不變(下滑時(shí)間固定,磁鐵與線圈間的作用力變化的影響可忽略不計(jì)),改變包裝盒相對(duì)線圈的位置,控制磁鐵每次在盒內(nèi)下滑的起點(diǎn)不變,從而改變磁通量變化的大小(如圖5,選取條形磁鐵磁感線軸向分布的不同階段的相同距離,線圈中磁通量變化不同).觀察電流計(jì)偏轉(zhuǎn)的最大角度,發(fā)現(xiàn)包裝盒離線圈越近時(shí),磁鐵運(yùn)動(dòng)相同位移情況下,線圈平面內(nèi)磁通量變化越大,感應(yīng)電流越大.

圖5

(3)僅改變線圈的接入匝數(shù),觀察電流計(jì)偏轉(zhuǎn)的最大角度,發(fā)現(xiàn)接入匝數(shù)越多,感應(yīng)電流越大.

總結(jié)以上三個(gè)控制變量法得出的結(jié)論,可以定性得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率及匝數(shù)之間的關(guān)系.