利用簡(jiǎn)單材料 詮釋科學(xué)魅力

摘 要：楞次定律是高中物理教學(xué)中的傳統(tǒng)重難點(diǎn)內(nèi)容，要突破該教學(xué)難點(diǎn)，并激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的求知欲，做好楞次定律演示實(shí)驗(yàn)是最有效的手段之一.實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)式J2424型楞次定律演示器，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有缺陷，致使實(shí)驗(yàn)演示現(xiàn)象不明顯或不成功.利用低成本材料改進(jìn)自制的楞次定律演示器，演示現(xiàn)象明顯.

關(guān)鍵詞：低成本;改進(jìn)自制;楞次定律;演示器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）09-0044-02

基金項(xiàng)目：甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度一般自籌課題“跨學(xué)科融合開展中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：GS[2020]GHB2517）.

作者簡(jiǎn)介：劉榮華（1969-），男，甘肅武都人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

實(shí)驗(yàn)室的J2424型楞次定律演示器（如圖1），由鋁梁、鋁環(huán)（開口環(huán)和閉合環(huán)各一只）、帶針的支柱及底座組成.鋁梁及鋁環(huán)采用15mm×1mm的鋁板制作，鋁梁長(zhǎng)度約140mm，鋁環(huán)的直徑約55mm.底座底面為圓形，直經(jīng)為67mm，支柱及底座總高度約100mm.實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該儀器存在以下不足：一是鋁梁及鋁環(huán)組成的旋轉(zhuǎn)部分整體質(zhì)量較大，所以慣性大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以改變;二是鋁梁的旋轉(zhuǎn)力臂較短，使實(shí)驗(yàn)中感應(yīng)電流所受安培力的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小，教師不便于操作，學(xué)生（尤其是后排學(xué)生）也看不清楚.以上不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中，若使用普通條形磁鐵，反復(fù)靠近或遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)不明顯;若普通條形磁鐵反復(fù)靠近或遠(yuǎn)離開口鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);但換用強(qiáng)磁鐵做實(shí)驗(yàn)，靠近或遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)時(shí)，閉合鋁環(huán)出現(xiàn)預(yù)期效果轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象明顯，但用強(qiáng)磁鐵靠近或遠(yuǎn)離開口鋁環(huán)時(shí)，若仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)開口環(huán)也發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)[1].針對(duì)以上缺點(diǎn)，為保證分別在弱磁鐵和強(qiáng)磁鐵作用下都可以使楞次定律演示成功，利用低成本材料改進(jìn)楞次定律演示器，以期利用簡(jiǎn)單材料，詮釋科學(xué)魅力.

1 改進(jìn)所需材料

（1）容積500mL、直徑65mm、高170mm的鋁質(zhì)空易拉罐1個(gè)（如飲料易拉罐）.

（2）長(zhǎng)23cm、直徑6mm的紅色豆?jié){吸管1根.

（3）用完油墨的直徑約4mm、長(zhǎng)約130mm的中性筆芯1支（含帽塞）.

（4）厚度4mm的薄木板1小塊.

（5）縫衣針（或大頭針）1枚.

（6）圓形強(qiáng)磁鐵，直徑40mm，厚10mm1個(gè).

（7）直徑約30mm，長(zhǎng)約20cm的木棒一段.

2 改進(jìn)與創(chuàng)新過程

2.1 閉合圓環(huán)和開口圓環(huán)的制作

用剪刀將鋁質(zhì)易拉罐剪成寬度不足1cm的金屬鋁圓環(huán)2只，并將其中的一只金屬鋁圓環(huán)剪開約5mm的開口，開口處再用透明膠帶補(bǔ)填粘貼后，就制成了一只開口金屬鋁圓環(huán).

2.2 橫梁的制作與圓環(huán)的連接

在長(zhǎng)23cm豆?jié){吸管的中點(diǎn)處用注射器針頭切割一小孔（沒有刺穿），將兩個(gè)鋁環(huán)分別用萬(wàn)能膠固定在吸管兩端，使金屬鋁環(huán)圓面與吸管共面，小孔和鋁環(huán)在吸管同側(cè).

2.3 底座和帶針支柱的制作

將薄木板切割成直徑為85mm的圓，圓心處鉆一直徑為4mm的小孔，作為底座，將中性筆筆尖減掉一部分，內(nèi)有小孔露出即可，縫衣針穿透帽塞后，針尾插入中性筆筆尖小孔內(nèi)，再將帽塞套上筆頭后，可將縫衣針與筆尖固定在一起，使針尖露出6mm左右.筆芯尾部垂直插入圓形木板的圓心處作為底座上的支柱.把中間戳有小孔的豆?jié){吸管放在支柱的針尖上，吸管能在水平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng).改進(jìn)自制的楞次定律演示器如圖2所示.

2.4 帶柄強(qiáng)磁鐵的制作

將強(qiáng)磁鐵的一端與木棒的一端用萬(wàn)能膠粘貼固定在一起，如圖3所示.

3 實(shí)驗(yàn)演示方法

如圖4所示，手持強(qiáng)磁鐵的手柄，讓圓形強(qiáng)磁鐵緩慢地靠近或遠(yuǎn)離自制楞次定律演示器的閉合鋁環(huán)時(shí)，可觀察到閉合鋁環(huán)也遠(yuǎn)離或靠近圓形強(qiáng)磁鐵，顯示了楞次定律中的“阻礙”相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)無(wú)需將強(qiáng)磁鐵從閉合鋁環(huán)中快速插入或抽出.若讓圓形強(qiáng)磁鐵緩慢或快速地靠近或遠(yuǎn)離自制楞次定律演示器的開口鋁環(huán)時(shí)，則觀察到開口鋁環(huán)均保持靜止不動(dòng).

4 自制實(shí)驗(yàn)裝置亮點(diǎn)

（1）用鋁質(zhì)易拉罐剪成的金屬鋁圓環(huán)質(zhì)量輕，圓環(huán)面積大;橫梁采用長(zhǎng)23cm紅色豆?jié){吸管制作，使整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量輕、力臂長(zhǎng)、便于操作且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、可視空間大.

（2）實(shí)驗(yàn)裝置取材容易，制作簡(jiǎn)單，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率.在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新的過程中有助于提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).

（3）演示時(shí)無(wú)需將強(qiáng)磁鐵從閉合鋁環(huán)中快速插入或抽出，只需圓形強(qiáng)磁鐵較緩慢地靠近或遠(yuǎn)離自制楞次定律演示器的閉合鋁環(huán)時(shí)，即可觀察到閉合鋁環(huán)也將明顯遠(yuǎn)離或靠近圓形強(qiáng)磁鐵，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象重復(fù)性好，這樣延長(zhǎng)了學(xué)生的觀察時(shí)間，使所有學(xué)生都能夠清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

5 組織學(xué)生參與自制，并開展演示比賽

教學(xué)實(shí)踐表明，課后以學(xué)習(xí)小組為單位、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自制，學(xué)生參與的積極性和興趣都較高.用一個(gè)鋁質(zhì)易拉罐可剪出多個(gè)寬度不等的金屬鋁圓環(huán)，橫梁可用不同長(zhǎng)度的豆?jié){吸管代替，帶柄強(qiáng)磁鐵各學(xué)習(xí)小組可以共用，最后將各學(xué)習(xí)小組改進(jìn)的楞次定律演示器進(jìn)行演示比賽評(píng)比，最后總結(jié)出靈敏度高的楞次定律演示器具備的共同特征：鋁環(huán)寬度應(yīng)適當(dāng)，約1cm，太窄時(shí)閉合鋁環(huán)的內(nèi)阻較大，演示時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流太小，閉合鋁環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)不明顯;若閉合鋁環(huán)寬度過大，質(zhì)量增大，演示時(shí)因慣性大，轉(zhuǎn)動(dòng)不夠明顯，同時(shí)用強(qiáng)磁鐵靠近或遠(yuǎn)離開口鋁環(huán)時(shí)，因產(chǎn)生的渦流使開口鋁環(huán)也出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)動(dòng)[2].用豆?jié){吸管做的橫梁長(zhǎng)度大的比短的轉(zhuǎn)動(dòng)效果更明顯，因橫梁長(zhǎng)的力臂長(zhǎng)，感應(yīng)電流所受的安培力產(chǎn)生的力矩大，使閉合鋁環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)明顯，同時(shí)因轉(zhuǎn)動(dòng)半徑增大，使鋁環(huán)的線速度也增大，演示現(xiàn)象明顯.

通過學(xué)生自制教具比賽活動(dòng)，除培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和合作探究能力之外，更重要的是加深理解了楞次定律、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件、閉合電路的歐姆定律、慣性、力臂、力矩等知識(shí).

最后，將演示現(xiàn)象較明顯的楞次定律演示器注明制作學(xué)生、指導(dǎo)老師和時(shí)間后，保存在物理實(shí)驗(yàn)室以備今后的教學(xué)中再次演示使用和探究，這樣做使學(xué)生獲得了一種成就感和自豪感，并將有利于今后組織學(xué)生開展教具的自制與改進(jìn).體現(xiàn)了一種“做中學(xué)、學(xué)中思、思中悟、悟中創(chuàng)”的STEAM教育理念在物理教學(xué)中的應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

[1]李廣強(qiáng).由楞次定律演示實(shí)驗(yàn)引發(fā)的思考[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2010（32）：76.

[2]劉延賢，王存茂.楞次定律演示器中的橫桿為什么會(huì)發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)[J].物理通報(bào)，1997（03）：37.

（收稿日期：2020-12-16）