通電螺線管磁性強弱實驗的探索
2008-04-29 00:00:00朱亞飛黃偉良
物理教學探討 2008年4期
在初中物理電流的磁場這一節中，提出通電螺線管有磁性。通電螺線管中線圈匝數增多，磁性增強，通電螺線管中電流增大，磁性增強，在通電螺線管中插入鐵芯，磁性大大增強。課本中對此的演示實驗，在理論上可以達到預期效果，但在實際操作中，由于一些主客觀因素，往往難以做到預期效果。現對此作如下探索和改進：
1 對原演示實驗的分析
①如圖1所示，原演示實驗的器材。電流表、線圈、電鍵、彈簧、掛碼，滑動變阻器、導線。
②具體操作情況及原因分析
該演示實驗在具體操作過程中，很難達預期效果，彈簧并沒有出現預期當中的拉長、再次拉長、又明顯拉長和進一步拉長。在大多數的操作中，出現的情況是：要么彈簧感覺不到被拉長，要么在增加線圈匝數、加大電流、插入鐵芯后，掛碼一下子被線圈吸住。
原因分析：
（1）該實驗對彈簧的彈性要求高，彈力太強或太弱均不行，而要選擇彈性適當的彈簧則較困難。
（2）彈簧懸掛的高度要求很高，太高、太低均不行。
（3）改變線圈匝數時，一般只用大、小兩個線圈，而兩個線圈匝數差別太多。
（4）通過滑動變阻器來加大電流時，由于電流增加的不穩定，也會出現上述結果。
(5)最關鍵的問題是：在通電螺線管產生的磁場中，場中各點的能量密度正比于各該點磁感應強度的平方，這也就意味著：通電螺線管對掛碼的吸引力，并不僅僅是隨著距離的減小簡單地呈常數關系的反比增加，而是呈平方比增加，從而導致一旦出現掛碼被吸引、彈簧被拉長的現象后，掛碼就會一下子被線圈吸住。
2 對新演示實驗的探索
①實驗設計思路
（1）針對原演示實驗中存在的設計與操作的缺憾，優化設計方案，改進實驗裝置，提高演示實驗效果。
（2）克服上述原因分析中提出的問題，利用杠桿原理，通過彈簧秤的讀數變化，在固定距離下研究通電螺線管磁性強弱的變化。
（3）利用磁性“同性相斥”的原理，設計實驗裝置。
②儀器裝置及說明
（一）利用杠桿原理的實驗裝置
如圖2所示，在杠桿的左端用棉線掛一鉤碼，在杠桿的右端等距離處用棉線掛一彈簧秤。通過棉線調節鉤碼與線圈的距離，距離控制在2cm左右，如果距離太大，就會影響演示實驗的效果，距離太小，在操作上會帶來一些不便。彈簧秤另一頭用手拉住，在實驗過程中要控制杠桿始終保持平衡。
（二）利用磁性“同性相斥”原理的實驗裝置
如圖3所示，把實驗思路改為“同性相斥”：取一枚鈕扣狀磁鐵和一截木棍，把磁鐵的磁極與通電螺線管磁極相反的一面固定在木棍底部，這樣就造成磁鐵的磁極與通電螺線管磁極相同的面相向，把此實驗裝置放入量筒內，注入水，量筒用鐵架臺固定。
用此實驗裝置還有一關鍵之處：木棍與磁鐵的平均密度要略大于水的密度（目的是當磁鐵受到斥力時能較容易浮起）
③操作步驟及現象
①利用杠桿原理的實驗
（1）按圖2所示組裝好實驗裝置。彈簧秤讀數為F1。
（2）合上電鍵，由于通電螺線管產生的磁場，彈簧秤讀數為F2，F2>F1。
（3）線圈匝數增加后，再合上電鍵，彈簧秤讀數為F3，F3>F2>F1。
（4）利用滑線變阻器逐步加大電流，彈簧秤讀數為F4，F4>F3>F2>F1。
（5）在通電螺線管內插入鐵芯之后，彈簧秤讀數為F5，F5>F4>F3>F2>F1。
②磁性“同性相斥”原理的實驗
（1）按圖3所示組裝好實驗裝置。
（2）合上電鍵，由于通電螺線管產生的磁場的磁極和它相向的磁鐵的磁極相同，造成同性相斥，使得試管內的木棍浮起一定高度。
（3）線圈匝數增加后，再合上電鍵，結果發現試管內的木棍 浮得更高。
（4）利用滑動變阻器逐步加大電流，結果發現試管內的木棍隨著電流的增加又緩緩上升。
（5）在通電螺線管內插入鐵芯之后，發現試管內的木棍進一步明顯升高。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
