巧用可拆變壓器探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象

王洪濤 劉召新

[深圳外國語學(xué)校(龍華) 廣東 深圳 325000](余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 制作背景

“電磁感應(yīng)”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·選修3-2》中的重點(diǎn)內(nèi)容，關(guān)于電磁感應(yīng)的應(yīng)用教材提供的案例主要是：如圖1真空冶煉爐，這個(gè)案例雖然是一種重要的應(yīng)用，畢竟在學(xué)生的日常生活中見不到，所以缺少親近感和信任度；圖2電磁驅(qū)動作為成品的教學(xué)儀器，盡管實(shí)驗(yàn)效果不錯(cuò),仍然缺少自制教具的天生親切感.筆者利用可拆變壓器加上常見的生活物品設(shè)計(jì)了系列實(shí)驗(yàn),不但能達(dá)到教材實(shí)驗(yàn)的效果，而且優(yōu)化和完善了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)演示.

圖1 真空冶煉爐 圖2 電磁驅(qū)動演示儀器

2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示，用可拆變壓器作為主要裝置,自己動手繞制的簡易線圈,再配合鋁環(huán)和鐵碗,這些元件按照不同的組合分別將電磁感應(yīng)的現(xiàn)象以各種不同的形式呈現(xiàn)出來.各部分組件的名稱詳見圖3下方的標(biāo)注.

圖3 實(shí)驗(yàn)組件

3 實(shí)驗(yàn)裝置的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

(1)可拆變壓器. 選用原線圈額定電壓超過220 V,額定電流超過2 A的可拆變壓器.

(2)鋁環(huán).”跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)演示電磁阻尼.

(3)自制線圈. 演示互感.

(4)多匝線圈. 多匝互感.

(5)鐵碗.演示渦流生熱現(xiàn)象.

4 實(shí)際教學(xué)的探究過程

4.1 變壓器鐵芯的作用

如圖4(a)所示,可拆變壓器鐵芯半閉合，左邊原線圈接上220 V交流電，右邊用自制線圈代替副線圈，此時(shí)副線圈所在閉合回路中的燈泡沒有發(fā)光.如圖4(b)所示，將鐵芯閉合，燈泡立即發(fā)光.在鐵芯外面靠近一個(gè)多匝線圈，如圖4(c)所示,燈泡沒有發(fā)光.

圖4 驗(yàn)證變壓器鐵芯的作用

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鐵芯能夠約束磁場，傳導(dǎo)磁感線，閉合的鐵芯能夠減少漏磁.

4.2 線圈匝數(shù)對電磁感應(yīng)的影響

如圖5(a)所示,原線圈接上220 V交流電，可拆變壓器鐵芯半閉合時(shí)，用匝數(shù)較少的自制線圈時(shí)，副線圈所在閉合回路中的燈泡沒有發(fā)光.如圖5(b)所示，換用多匝線圈時(shí)，所在閉合回路中的燈泡能夠發(fā)光.如圖5(c)所示,兩個(gè)線圈同時(shí)套在右邊鐵芯，兩個(gè)燈泡一個(gè)發(fā)光，一個(gè)不發(fā)光，形成明顯的對比.

圖5 線圈匝數(shù)對電磁感應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢跟線圈的匝數(shù)有關(guān)，匝數(shù)越少，感應(yīng)電動勢越小，匝數(shù)越多，感應(yīng)電動勢越大.

4.3 電磁驅(qū)動

4.3.1 “跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)

如圖6(a)所示,把可拆變壓器的鐵芯拆開豎直放在線圈的上方，把鋁環(huán)套在鐵芯上.原線圈接在220 V交流電源電路，當(dāng)閉合開關(guān)時(shí)，原來靜止的鋁環(huán)立即向上跳起，形成如圖6(b)所示的跳環(huán)現(xiàn)象.

圖6

4.3.2 “懸浮環(huán)”實(shí)驗(yàn)

如圖7(a)所示,把可拆變壓器的鐵芯拆開豎直放在線圈的上方，把兩個(gè)鋁環(huán)套在鐵芯上，在上方放置一個(gè)塑料擋板。原線圈接在220 V交流電源電路，當(dāng)閉合開關(guān)時(shí)，如圖7(b)原來靜止的兩個(gè)鋁環(huán)相繼向上向上跳起，最終由于塑料板的阻擋，形成如圖7(c)所示的懸浮環(huán)現(xiàn)象.

圖7 懸浮環(huán)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，由于產(chǎn)生電磁感應(yīng)的回路總要阻礙原磁通量的變化，所以就產(chǎn)生了力的作用.

4.4 渦流加熱自制電磁爐

圖8是自制電磁爐的圖片.

圖8 自制電磁爐

如圖8(a)所示,先展示電磁爐進(jìn)行燒水的生活實(shí)例，詢問學(xué)生電磁爐燒水的原理，進(jìn)行相關(guān)猜想和討論.如圖8(b)所示.

把可拆變壓器鐵芯半拆開，線圈接上220 V交流電，把盛少量水的鐵碗放在線圈上面.過一會，線圈上的水產(chǎn)生了水蒸汽，伴有嘶嘶的沸騰聲音，電磁爐的加熱原理就明白了.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，靠近的金屬導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生許多閉合的電流，稱之為渦流.渦流使金屬導(dǎo)體產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象.

5 該裝置的特點(diǎn)

本裝置取材方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，巧妙地將抽象的電磁感應(yīng)以光、運(yùn)動、熱等現(xiàn)象直觀地呈現(xiàn)出來，是一個(gè)系列實(shí)驗(yàn)儀器套裝.利用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究更貼近生活，靠近問題的本源，使學(xué)生更容易理解，實(shí)際教學(xué)效果很好.