自制楞次定律探究儀

鄧浩儀，李德安，張軍朋

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

楞次定律是高中階段較為抽象的物理規(guī)律[1]，本文通過分析教材中楞次定律傳統(tǒng)實驗的不足，總結(jié)其教學(xué)難點，自制了楞次定律探究儀.利用該儀器探究了感應(yīng)磁場和感應(yīng)電流的方向，實驗操作簡單，易于教師演示和學(xué)生理解.

1 教材中楞次定律實驗的不足

楞次定律是高中物理電磁學(xué)部分的重點內(nèi)容.經(jīng)對比多個版本的教材，發(fā)現(xiàn)教材中的楞次定律實驗均是通過將磁鐵插入、拔出線圈，觀察靈敏電流計指針的偏轉(zhuǎn)來判斷產(chǎn)生感應(yīng)電流的磁場方向，然后總結(jié)得出楞次定律[2].教材中的實驗主要存在以下不足：

1)靈敏電流計的構(gòu)造較為復(fù)雜，學(xué)生無法觀察到內(nèi)部構(gòu)造，實驗前學(xué)生需要清楚電流表指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向的對應(yīng)關(guān)系.

2)靈敏電流計的指針偏轉(zhuǎn)時間較短，直觀對比性不強.

3)教材的實驗設(shè)計是讓學(xué)生通過觀察感應(yīng)電流方向去判斷感應(yīng)磁場的方向，而又總結(jié)出通過感應(yīng)磁場方向去判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律，其邏輯關(guān)系容易使學(xué)生產(chǎn)生困惑，并讓學(xué)生不能很好地體會感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場對閉合回路中的原磁通量變化的阻礙作用.

2 楞次定律的教學(xué)難點

楞次定律是電磁學(xué)部分較為抽象的內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力、綜合運用能力和分析解決實際問題的能力起到至關(guān)重要的作用.學(xué)生在學(xué)習(xí)楞次定律時主要存在以下困難：

1)楞次定律涉及的因素較多，例如磁場方向、磁通量的變化、感應(yīng)電流方向等，學(xué)生容易混淆.

2)學(xué)生需找出多個物理量之間的關(guān)系，并總結(jié)出規(guī)律.由于該規(guī)律隱晦，需要學(xué)生具有極強的概括能力，對學(xué)生來說具有較大的挑戰(zhàn)[3-4].

3 楞次定律演示儀的制作

基于對傳統(tǒng)實驗與教學(xué)難點的分析，自制了楞次定律探究儀，解決了上述問題，并有利于教師開展課堂實驗教學(xué).

3.1 實驗器材

圓柱亞克力(2個)、90°直角支架固定器角鐵(2個)、5 mm紅色發(fā)光二極管(15個)、5 mm白色發(fā)光二極管(15個)、洞洞板(2片)、強力磁鐵(2個)、鋁管(1個)、雪弗板(若干)、純銅漆包線(直徑為0.55 mm)、圓木棍(直徑為1 cm)、香蕉插頭及配對插座、電工膠布、導(dǎo)線(若干)、美工刀、焊錫、焊錫筆、剝線鉗、熱熔槍、馬克筆等.

3.2 制作方法

3.2.1 線圈的制作

1)利用鋁管作為纏繞線圈的模具，以便增強“來拒去留”的相互作用效果.將漆包線繞鋁管纏繞約1 000匝，并用電工膠布固定，始末均預(yù)留出漆包線以便與發(fā)光二極管組件連接；

2)用美工刀刮去約3 cm長的漆包線絕緣層.

3.2.2 發(fā)光二極管組件的制作

1)由于繞制的線圈所產(chǎn)生的電動勢較小，不足以讓串聯(lián)的發(fā)光二極管發(fā)光，因此可以將發(fā)光二極管插在洞洞板上排列成三角形，并以并聯(lián)的方式進(jìn)行焊接，以便達(dá)到更好的視覺效果；

2)使用美工刀切割得到1塊15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板，在其中間鏤空2個左右位置對稱但方向相反的三角形，大小與前面排列的發(fā)光二極管一致；

3)將焊接好的發(fā)光二極管嵌入到雪弗板中，在雪弗板前面用馬克筆畫好并聯(lián)的電路，背后利用熱熔槍固定好2個香蕉頭，并用導(dǎo)線連接好發(fā)光二極管，如圖1所示.

圖1 發(fā)光二極管組件

3.2.3 導(dǎo)線組件的制作

使用美工刀切割得到1塊15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板，在其一面用馬克筆畫1條直線表示導(dǎo)線，另一面利用熱熔槍固定好2個香蕉頭，并用導(dǎo)線連接.

3.2.4 楞次小車的制作

1)用美工刀切割得到2塊10 cm×60 cm×0.9 cm和1塊40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板；

2)用1塊10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板做小車底板，用貼好小車輪子的圓柱亞克力充當(dāng)小車車輪；

3)在40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板上挖4個孔(2個孔用于安裝線圈，2個孔用于安裝香蕉頭的插座)，垂直放置在小車底板的中央，并利用直角支架固定器角鐵進(jìn)行固定；

4)為了能制停小車，用1塊10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板充當(dāng)小車運動的底面，并在其上面固定好4根直徑為1 cm的圓木棍；

5)畫上電路圖，楞次定律探究儀制作完成，如圖2所示.

圖2 楞次定律探究儀

4 楞次定律探究儀的使用

4.1 探究感應(yīng)磁場方向與原磁場方向的關(guān)系

1)如圖3所示，將N極插入或拔出線圈，觀察小車的運動方向，并記錄線圈與磁鐵的關(guān)系(排斥或吸引).

(a)插入線圈

2)改變磁極方向，將S極插入或拔出線圈，并記錄線圈與磁鐵的關(guān)系.

3)根據(jù)磁極的相互作用規(guī)律和觀察到的現(xiàn)象，判斷感應(yīng)磁場方向與原磁場方向的關(guān)系(相同或相反)，進(jìn)一步分析感應(yīng)磁場對原磁通量的影響，總結(jié)得到表1的實驗現(xiàn)象.

表1 探究感應(yīng)磁場方向與原磁場方向關(guān)系的實驗現(xiàn)象記錄表

由表1可以得出：當(dāng)線圈中的磁通量增加時，感應(yīng)磁場方向與原磁場方向相反；當(dāng)線圈中的磁通量減少時，感應(yīng)磁場方向與原磁場方向相同，即感應(yīng)磁場總是阻礙原磁通量的變化.

4.2 探究感應(yīng)電流方向

1)如圖4所示，將發(fā)光二極管的組件替換為導(dǎo)線組件，通過感應(yīng)磁場方向與原磁場方向的關(guān)系，讓學(xué)生運用“右手螺旋定則”判斷感應(yīng)電流的方向.

(a)插入線圈

2)撤去小車車輪，將N極插入或拔出線圈，觀察并記錄發(fā)光二極管的亮滅情況.

3)將S極插入或拔出線圈，觀察并記錄發(fā)光二極管的亮滅情況.得到的實驗現(xiàn)象見表2.

表2 探究感應(yīng)電流方向的實驗現(xiàn)象

綜合以上實驗，可以得出以下結(jié)論：閉合回路中，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.

5 結(jié)束語

該自制楞次定律探究儀將探究感應(yīng)電流的方向等價轉(zhuǎn)換為探究感應(yīng)磁場的方向，通過讓學(xué)生動手感受線圈阻礙磁鐵的相對運動，將感應(yīng)磁場對原磁通量變化的“阻礙”作用具體化，幫助學(xué)生更好地理解楞次定律中“阻礙”的含義，再利用安培定則得到感應(yīng)電流的方向并驗證.該教具將感應(yīng)電流和感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場這2個變量分開，減少了學(xué)生學(xué)習(xí)楞次定律時的干擾性思維，讓學(xué)生不必集中注意在過多的變量上，從而有利于學(xué)生更深層次地理解楞次定律.