立式電磁感應(yīng)演示儀的自制及應(yīng)用

陳博文 蔣雪茹 周曉林

摘 ? 要：“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”是最重要的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)之一，也是連接電學(xué)與磁學(xué)的橋梁。為了使學(xué)生更清晰地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更高效地進(jìn)行課堂教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)中所需的指針式電流表改為數(shù)字電流表。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將磁鐵棒插入線圈或沿水平軸線移動(dòng)，指出磁場(chǎng)強(qiáng)度變化并不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的難點(diǎn)問題。

關(guān)鍵詞：高中物理;電磁感應(yīng);自制教具

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）1-0047-2

1 ? ?自制教具背景

步入高二，學(xué)生雖然已經(jīng)有了很強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力，但仍然需要用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去輔助理解物理規(guī)律?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材水平放置在桌面上，影響學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。另外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教具不能演示穿入與穿出線圈的磁感線條數(shù)一樣，線圈總磁通量為零，回路沒有電流產(chǎn)生這一現(xiàn)象。為了解決這些問題，自制了立式電磁感應(yīng)演示儀。

2 ? ?新教具實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)器材由Ⅰ部分與Ⅱ部分組成（圖1）。

實(shí)驗(yàn)原理1：由一根磁鐵棒與Ⅰ部分組成一套實(shí)驗(yàn)裝置。由電磁感應(yīng)現(xiàn)象可知，當(dāng)磁鐵棒插入和拔出線圈時(shí)，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)磁鐵棒沿線圈中軸線水平移動(dòng)時(shí)，電流表指針不偏轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)原理2：由Ⅰ部分與Ⅱ部分組成一套實(shí)驗(yàn)裝置。當(dāng)閉合Ⅱ部分開關(guān)S，通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過左邊線圈從而產(chǎn)生電流，Ⅰ部分電流表指針偏轉(zhuǎn)。同理，斷開開關(guān)，Ⅰ部分電流表指針向相反方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)閉合開關(guān)后，分別沿順時(shí)針方向、逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)Ⅱ部分變阻器，Ⅰ部分電流表指針左右偏轉(zhuǎn)。

3 ? ?立式電磁感應(yīng)演示儀的材料及制作方法

3.1 ? ?儀器材料

50 cm×30 cm的PVC板、50 cm×50 cm的PVC板、2只2000匝線圈、單刀單擲開關(guān)、1 KΩWTH118碳膜電位器、DC0-100 V 10 A LED直流雙顯數(shù)字電流電壓表、1 cm口徑鐵棒、J0409靈敏電流計(jì)、7.5 V電池盒、5號(hào)電池若干、導(dǎo)線若干。

3.2 ? ?制作方法

在50 cm×30 cm的PVC板上安裝一只2000匝的線圈和電流表;將50 cm×50 cm的PVC板按照不同零件的面積大小和預(yù)先設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行鉆孔和打磨，使之與零件面積基本吻合。按順序在50 cm×50 cm的PVC板上安裝電池盒、開關(guān)、一只2000匝的線圈、變阻器、電流電壓顯示器。最后，用四個(gè)底15 cm、高10 cm的等腰三角形與兩塊板分別粘合在一起，組成立體背景板。演示時(shí)分B板（50 cm×30 cm）單獨(dú)演示和A板（50 cm×50 cm）、B板組合演示。

3.3 ? ?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”實(shí)驗(yàn)1：用一只磁鐵棒插入和拔出Ⅰ部分的線圈，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);磁鐵棒豎直放置，并沿線圈中心軸線水平方向移動(dòng)磁鐵棒，電流表指針不偏轉(zhuǎn)。（圖2）

分析 實(shí)驗(yàn)1左圖磁鐵棒移動(dòng)的過程中，線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化，回路產(chǎn)生感應(yīng)電流;實(shí)驗(yàn)1右圖移動(dòng)磁鐵棒的過程中，穿入與穿出線圈的磁感線條數(shù)一樣，線圈總磁通量為零，回路沒有電流產(chǎn)生。（圖2）

結(jié)論1：當(dāng)線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路產(chǎn)生感應(yīng)電流。

“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”實(shí)驗(yàn)2：將Ⅰ、Ⅱ兩部分組成一套實(shí)驗(yàn)裝置，中間用鐵芯相連。在閉合（斷開）開關(guān)瞬間，左（右）旋轉(zhuǎn)變阻器時(shí)，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這四種方式均使穿過Ⅰ部分線圈的磁通量發(fā)生變化，回路產(chǎn)生感應(yīng)電流。（圖3）

結(jié)論2：當(dāng)線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路產(chǎn)生感應(yīng)電流。

4 ? ?對(duì)教學(xué)的幫助

4.1 ? ?雙顯數(shù)字表替換指針式電表

當(dāng)閉合、斷開開關(guān)瞬間或者旋轉(zhuǎn)變阻器時(shí)，數(shù)字電表同步顯示Ⅱ部分電流、電壓的變化情況。相比現(xiàn)有的電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)演示儀，學(xué)生可以直觀地看到當(dāng)Ⅱ部分電流發(fā)生變化時(shí)，Ⅰ部分將產(chǎn)生感應(yīng)電流，解決了教學(xué)中由于反光部分讓同學(xué)無法觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象這一難題。

4.2 ? ?對(duì)比實(shí)驗(yàn)，突破難點(diǎn)

在實(shí)驗(yàn)1中，對(duì)比磁場(chǎng)強(qiáng)度變化和磁通量變化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解并掌握磁通量的變化才是感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件。

4.3 ? ?增減器材，多種實(shí)驗(yàn)

除探究“感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”外，由于本套實(shí)驗(yàn)裝置采用版面設(shè)計(jì)，因此可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要添加或刪除部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)的靈活性大大提高。

在“變壓器”的教學(xué)中，Ⅰ部分可作為副線圈，Ⅱ部分可作為原線圈。利用控制變量法，先改變Ⅱ部分電池組電量，保持原副線圈匝數(shù)不變，可定性分析原副線圈電壓與線圈匝數(shù)的關(guān)系;再保持電池組電量恒定，替換Ⅰ部分副線圈，進(jìn)一步分析原副線圈電流與線圈匝數(shù)的關(guān)系。

5 ? ?總 ?結(jié)

本文以“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”為例，說明實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法。儀器操作便捷、觀賞性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可貫穿以“電磁感應(yīng)”為背景的所有知識(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理重要的教學(xué)方式，是探究物理規(guī)律的必由之路。按照教學(xué)目標(biāo)的要求，自制教學(xué)儀器不僅能提升教師自身的專業(yè)素養(yǎng)，同時(shí)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]商樂.自制教具“電磁感應(yīng)演示儀”的設(shè)計(jì)與使用[J].教學(xué)與管理，2018（7）：54-55.

[2]田澤森，王清霞.“做中學(xué)”——自制電磁感應(yīng)二胡[J].物理教師，2013，34（9）：46-47.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）