自制教具探究“產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”

李 韻

(深圳市高級(jí)中學(xué)，廣東 深圳 518000)

“產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”選自粵教版高中物理選修3-2,是第1章“電磁感應(yīng)”的重要內(nèi)容,本節(jié)是學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象和楞次定律的基礎(chǔ),無論從知識(shí)結(jié)構(gòu)而言,還是從培養(yǎng)物理學(xué)科素養(yǎng)而言,本節(jié)內(nèi)容都值得教育研究者反復(fù)研究,精心設(shè)計(jì)．

已有許多優(yōu)秀物理教師就此章節(jié)的教學(xué)邏輯和教具設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新等方面都做過許多研究,其中幾乎所有教師都是利用條形磁鐵與通電螺線管實(shí)現(xiàn)磁通量的變化,進(jìn)而探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生,作為核心的探究實(shí)驗(yàn)．在此,筆者對(duì)核心實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)及改進(jìn),望能提供參考．

1 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

學(xué)生在初中就接觸過磁能生電的知識(shí),但當(dāng)時(shí)的學(xué)習(xí)并不深入,讓學(xué)生有一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí):閉合回路必需切割磁感線才能產(chǎn)生感應(yīng)電流．為了推翻學(xué)生錯(cuò)誤的認(rèn)知,建立新的知識(shí)體系,需要一個(gè)邏輯嚴(yán)密又有說服力的實(shí)驗(yàn)過程．

在常規(guī)教學(xué)中,為推翻上述錯(cuò)誤認(rèn)知,需要利用通電螺線管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．如圖1所示連接電路,在接通開關(guān)瞬間,或者斷開開關(guān)瞬間,靈敏電流指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),說明即使不切割磁感線也能產(chǎn)生感應(yīng)電流．通過現(xiàn)象,讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,從而推翻錯(cuò)誤的前概念．

圖1

而后需要向?qū)W生展示當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時(shí),閉合回路的正對(duì)面積改變可以產(chǎn)生感應(yīng)電流; 當(dāng)閉合回路正對(duì)面積不變時(shí),改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小也能產(chǎn)生感應(yīng)電流．從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的邏輯只能得出,感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化和回路面積的變化都有關(guān)系,而不能嚴(yán)謹(jǐn)?shù)贸龈袘?yīng)電流的產(chǎn)生與磁通量的變化有關(guān)．本節(jié)的知識(shí)點(diǎn)比較抽象,讓學(xué)生從磁感應(yīng)強(qiáng)度和回路面積聯(lián)想到磁通量就很不容易了,加上實(shí)驗(yàn)邏輯的漏洞,導(dǎo)致說服力不足,學(xué)生理解起來就難上加難了．

2 實(shí)驗(yàn)器材的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

鑒于以上理由,有必要對(duì)教材的教學(xué)編排稍加修改并深化．為了更有利于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究,筆者制作了以下實(shí)驗(yàn)器材．

器材1:自制大型螺線管.

圖2

如圖2,用直徑為0.67 mm的漆包線,繞在直徑約為150 mm透明管中,制作成一個(gè)大的螺線管,成品如圖2所示，每一捆漆包線線圈50匝,共8捆．利用透明管來制作主體部分是為了讓學(xué)生能更好地觀察小線圈在管中的運(yùn)動(dòng)．小線圈可以利用實(shí)驗(yàn)室常用的線圈加工即可(如圖2大螺線管下的便是小線圈)．為實(shí)驗(yàn)方便，大螺線管的直徑需要略大于小線圈對(duì)角線．美觀起見,旁邊還制作了兩個(gè)接線柱,而底座支架由纖維玻璃制成．通電后,根據(jù)通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布情況,螺線管的兩端產(chǎn)生了非勻強(qiáng)磁場(chǎng),在螺線管中部產(chǎn)生了一片近似的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．自制螺線管,線圈,學(xué)生電源(直流電12 V至14 V),開關(guān),及滑線變阻器(500 Ω),按照?qǐng)D1連接電路,組成了第1組實(shí)驗(yàn)儀器．

器材2:磁感線模具.

為探究“在磁感應(yīng)強(qiáng)度和閉合回路正對(duì)面積都變化,而磁通量不變時(shí),能否產(chǎn)生感應(yīng)電流?”翻閱了一些文獻(xiàn),以及網(wǎng)絡(luò)搜索發(fā)現(xiàn),杭州市長(zhǎng)河高級(jí)中學(xué)的韓丹老師在公開課中和江蘇的譚慶仁老師在文章都使用了同樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器．可以利用一個(gè)與磁感線重合的模具來探究上述問題①．筆者稍作修改,制作了一套實(shí)驗(yàn)儀器,如圖3所示．

圖3

先將強(qiáng)磁鐵固定于泡沫板,撒上鐵粉,輕輕抖動(dòng)泡沫板,鐵粉會(huì)反應(yīng)出該強(qiáng)磁鐵的磁場(chǎng)分布．利用透明玻璃繪制磁感線,根據(jù)磁感線,旋轉(zhuǎn)360°可確定模具外形．在實(shí)驗(yàn)中需要線圈沿著模具外壁滑下大小可以伸縮,由此要求線圈較為柔軟,利用下滑過程撐開橡皮來改變閉合回路正對(duì)面積的大?。?/p>

許多文獻(xiàn)中都提到,漆包線套在橡皮筋上可以制作可伸縮的線圈,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),橡皮圈線圈在匝數(shù)上達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求,而且橡皮在實(shí)驗(yàn)過程中容易斷裂．實(shí)驗(yàn)室的條形磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)也不能滿足實(shí)驗(yàn)的要求．在制作次模具時(shí),建議使用工業(yè)上的強(qiáng)磁鐵,強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大,對(duì)線圈匝數(shù)的要求就相應(yīng)變小了．在制作線圈(約50匝)時(shí),需要用柔軟的漆包線,可以用絕緣膠帶故固定漆包線,實(shí)驗(yàn)過程中用手控制閉合回路的正對(duì)面積為佳．

將模具加上底座,線圈連接靈敏電流計(jì),便可組裝成如圖4所示的第2組實(shí)驗(yàn)儀器．

圖4

3 教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)儀器的應(yīng)用

利用上述儀器,教師可圍繞本節(jié)提出4個(gè)核心問題.

問題1:是否切割了磁感線就一定會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流?

圖5

使用第1組實(shí)驗(yàn)儀器,連接電路,接通開關(guān),如圖5所示,學(xué)生可以將線圈從上面的小孔放入通電螺線管的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,在螺線管中勻強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域內(nèi)上下移動(dòng)．此時(shí)閉合線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,切割了磁感線,但靈

敏電流計(jì)指針沒有偏轉(zhuǎn),沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生,說明切割了磁感線,不一定會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,由此使學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知沖突,推翻了初中課本中的說法．

問題2:不切割磁感線能產(chǎn)生感應(yīng)電流么?

使用第1組實(shí)驗(yàn)儀器,如圖5所示,將線圈放入通電螺線管中,保持靜止,迅速改變滑動(dòng)變阻器的阻值,使得管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化,可以觀察到靈敏電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生了感應(yīng)電流．進(jìn)一步說明,即使不切割磁感線也可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,同時(shí)也可得出,感應(yīng)電流的產(chǎn)生和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化有關(guān)．

問題3:感應(yīng)電流的產(chǎn)生與什么因素有關(guān)?

將線圈放入自制通電螺線管中,在保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變的前提下,可以轉(zhuǎn)動(dòng)線圈,改變閉合回路的正對(duì)面積,可觀察到靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生了感應(yīng)電流．結(jié)合問題2的結(jié)論可得,感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁感強(qiáng)度變化和閉合回路正對(duì)面積的變化有關(guān)．

此處教材的處理是,由磁感應(yīng)強(qiáng)度和閉合回路正對(duì)面積的變化合理聯(lián)想到與磁通量的變化有關(guān),便得出產(chǎn)生感應(yīng)的電流的根本條件．從邏輯而言,這個(gè)推理和聯(lián)想要被佐證,而不能由聯(lián)想得出結(jié)論．所以還需要一個(gè)更有說服力的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證在磁感應(yīng)強(qiáng)度和閉合回路正對(duì)面積都發(fā)生變化,而磁通量不變的情況下,沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生．如此才能合情合理地得出結(jié)論．

問題4:在磁感應(yīng)強(qiáng)度和閉合回路正對(duì)面積都變化,而磁通量不變時(shí),能否產(chǎn)生感應(yīng)電流?

使用第2組實(shí)驗(yàn)儀器,實(shí)驗(yàn)過程中,只要可伸縮線圈沿模具外壁下滑,下滑過程中磁感應(yīng)強(qiáng)度變小了,閉合線圈的正對(duì)面積變大了,但是通過閉合回路的磁感線條數(shù)沒有變,

即磁通量沒有變,可以觀察到?jīng)]有感應(yīng)電流產(chǎn)生,說明只要磁通量沒有變化,則不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．

文獻(xiàn)[1]中提及,將線圈“慢慢”下滑,筆者認(rèn)為稍有不妥．慢慢下滑過程,磁通變化率很小,即使產(chǎn)生了感應(yīng)電流,電流也很小,故現(xiàn)象不明顯,不能說明問題．應(yīng)是將線圈迅速下滑,實(shí)驗(yàn)結(jié)論更有說服力．

通過以上4個(gè)核心問題,經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)過程和嚴(yán)密的邏輯推理,最終引導(dǎo)學(xué)生得出一個(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)論:“閉合回路的磁通量發(fā)生改變,才能產(chǎn)生感應(yīng)電流”．也正是通過這樣的教學(xué)過程,讓學(xué)生感受物理結(jié)論的得出并不是一蹴而就的,而是需要通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn),反復(fù)的推敲,不斷提出問題、解決問題,才能更接近真理．

參考文獻(xiàn)：

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3 陸光華.感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件教學(xué)設(shè)計(jì)與反思[J].物理教師,2015,36(12)： 18-20.