互感現(xiàn)象方案設(shè)計與實驗

黃春如 熊小蘭

(樟樹第三中學(xué) 江西 樟樹 331200)

為使學(xué)生在知識的學(xué)習(xí)中更好地經(jīng)歷過程、體會方法，使之對物理概念更好地理解,以利于對知識的掌握.筆者從身邊的廢舊器件中尋找可用之材，針對互感現(xiàn)象的特點及其實際應(yīng)用，改進(jìn)和設(shè)計了如下的實驗方案.

1 實驗器材

音樂手機1部，自制線圈2個，收音機中的條形磁棒1根，廢舊彩電行輸出磁芯1副，帶功放的電腦音響1臺，紅、綠顏色LED各1枚，干電池2節(jié)，滑動變阻器1只，電流表1只，開關(guān),導(dǎo)線，螺絲刀,尖嘴鉗,粉筆,牙刷等.

2 互感現(xiàn)象在教材中的教學(xué)設(shè)計

圖1 法拉第用過的線圈

課本中互感的概念是通過法拉第線圈的實驗結(jié)論建立的,在法拉第的實驗中，兩個線圈之間并沒有導(dǎo)線相連，但當(dāng)一個線圈中的電流變化時，它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象叫做互感[1].之后推理得出互感不僅僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個線圈之間，而且可以發(fā)生于任何兩個相互靠近的電路之間，并列舉了互感在電工技術(shù)(變壓器)和電子技術(shù)(如圖1：收音機中的“磁性天線”)上的應(yīng)用實例.

互感概念的前一部分可以說是以法拉第電磁感應(yīng)的實驗為基礎(chǔ)得出的，但后一部分結(jié)論對學(xué)生只能是理論上的一個推導(dǎo)，并沒有對應(yīng)的實驗來構(gòu)建此概念.對互感在電工、電子技術(shù)上的應(yīng)用實例，學(xué)生更是一頭霧水.為使學(xué)生經(jīng)歷實驗探究的過程，我們依據(jù)法拉第實驗線圈的原理，設(shè)計了互感現(xiàn)象的一些簡單實驗方案，使學(xué)生在實驗的過程中不僅經(jīng)歷了過程與方法，同時又很好地實現(xiàn)了知識與技能、情感態(tài)度與價值觀新課程三維目標(biāo)的要求.

2.1 設(shè)計方案1：

“法拉第實驗線圈+音樂手機+功放音響”.用如圖2所示的實驗室中的法拉第實驗線圈來探究互感現(xiàn)象，直觀形象對學(xué)生不僅有視覺的沖擊，更有聽覺的享受，效果很好.

圖2 實驗室中的法拉第線圈探究互感現(xiàn)象裝置

2.2 設(shè)計方案2：

“自制實驗線圈+音樂手機+功放音響”，輔以“收音機磁棒、彩電行磁芯”.如圖3所示，線圈1，線圈2用0.3 ～0.5 mm漆包線(可從廢舊節(jié)能燈中的高頻變壓器中取用)在直徑2 cm高1.5 cmPVC套管上繞150匝左右.線圈1與音樂手機相連，線圈2與功放音響相連，將線圈1和線圈2用棉線懸于水平狀態(tài)，并使其之間的間距可調(diào).手機設(shè)置為音樂播放狀態(tài)，打開功放音響并將音量旋紐調(diào)至最大.若在課堂進(jìn)行演示，可請兩名學(xué)生協(xié)助教師操作，其中一學(xué)生將線圈1與線圈2逐漸靠近，另一學(xué)生注意聽音響中的樂音變化，并將結(jié)果報告全班同學(xué).

實驗現(xiàn)象表明，線圈2與線圈1并沒有導(dǎo)線相連，但當(dāng)線圈1中通入音樂手機中變化的音頻信號時，在線圈2中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，形成感應(yīng)電流，推動功放音響發(fā)聲.學(xué)生親手實驗并觀察現(xiàn)象，通過現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，很容易歸納出互感現(xiàn)象的定義.

在給出互感現(xiàn)象的定義之后，依據(jù)圖3進(jìn)一步進(jìn)行實驗，由此給出互感在電子技術(shù)和電工技術(shù)中應(yīng)用的直觀形象.

圖3 收音機“磁性天線”模型

2.2.1 互感現(xiàn)象在電子技術(shù)中的應(yīng)用：收音機“磁性天線”模型

在圖3中，當(dāng)線圈1，線圈2靠近的過程中，可聽到功放音響中的聲音逐步增強.當(dāng)線圈拉遠(yuǎn)時，音量減弱，音量減弱到只有前排同學(xué)能夠聽到時，請一位同學(xué)在線圈中插入粉筆、牙刷等非鐵質(zhì)物件，提醒學(xué)生仔細(xì)聽功放音響前后音量的變化，發(fā)現(xiàn)功放信號的音量無變化.再請一位同學(xué)將收音機中的磁棒水平插入線圈之中.這一過程中，功放樂音信號音量明顯增大，此時，請學(xué)生仔細(xì)觀察圖4(a)中的線圈1，線圈2與磁棒實物結(jié)構(gòu)，它非常直觀地充當(dāng)了課本介紹的圖4.6-1，收音機里的“磁性天線”.利用該裝置可使學(xué)生很好地理解，通過互感現(xiàn)象把信號從一個線圈傳送到另一個線圈，并使學(xué)生認(rèn)識互感的強弱與線圈中有無鐵芯有關(guān).

圖4 “變壓器”模型

2.2.2 互感現(xiàn)象在電工技術(shù)中的應(yīng)用：變壓器模型

把線圈1，線圈2從棉線上解下，將其套在彩電行輸出磁芯上.先不讓磁芯回路封閉，將手機設(shè)置為音樂播放狀態(tài)，可聽到功放音響中有較大的音樂聲，之后使磁芯回路處于封閉狀態(tài)，此時全班同學(xué)可聽到“震耳欲聾”的音樂聲，課堂氣氛推向高潮.圖4(b)中的線圈1，線圈2與磁芯組成了一變壓器.該模型能直觀地告訴學(xué)生，兩線圈并沒有導(dǎo)線相連，當(dāng)一個線圈中輸入音樂信號時，在另一個線圈中能輸出音樂信號，并且輸入、輸出信號不失真(頻率不變).

2.3 設(shè)計方案3：

如圖5所示，把線圈1與電源、開關(guān)、電流表、滑動變阻器相連，構(gòu)成初級回路，線圈2與反向并聯(lián)的LED1，LED2連接，構(gòu)成次級回路.

圖5

實驗步驟：調(diào)整可變電阻器的阻值，使開關(guān)S閉合時，ab回路中的電流在0.3 A左右.通斷開關(guān)S，電流表指針搖擺，與線圈cd反向并接的LED1和LED2交替閃亮.閉合S不動，電流表有示數(shù)，但LED皆不亮.此時，用手提磁芯上半部分，磁芯在磁化后的磁力作用下可把下半部分提起，斷開開關(guān)S，磁芯失磁，下半部分在重力作用下脫落.

通過以上實驗過程，可使學(xué)生清楚地總結(jié)出，線圈cd與線圈ab并沒有導(dǎo)線相連，當(dāng)ab中的電流變化時，它所產(chǎn)生的變化的磁場會在cd線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使連接cd線圈的LED閃亮.閉合開關(guān)S，電流表有示數(shù)但不變化，線圈中有磁場，磁芯被磁化，但穿過線圈中的磁通量不變化，因而線圈cd中沒有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，LED皆不亮.

此實驗課堂教學(xué)后的交流中，學(xué)生說，通、斷電引起的電流變化產(chǎn)生變化的磁場，導(dǎo)致產(chǎn)生出互感電動勢，這樣，總結(jié)出的互感現(xiàn)象結(jié)論，由于親身的體驗，在我們頭腦中打下了烙印.

圖5中的磁芯和線圈也是一個電能傳輸型的變壓器模型，應(yīng)用上述模型能直觀清楚地使學(xué)生認(rèn)識到變壓器是利用互感現(xiàn)象制成的，它可以把能量由一個線圈傳遞到另一個線圈，工作的條件是線圈中必須通以變化的電流.由圖4的變壓器模型和實物彩電行輸出，可使學(xué)生對課本提到的互感在電工技術(shù)和電子技術(shù)中廣泛的應(yīng)用有更具體的認(rèn)識.

2.4 設(shè)計方案4：

用長約30 cm細(xì)導(dǎo)線，兩端與“1.5 V，0.3 A”小燈泡相連接，使回路接近圓形置于電磁爐臺面上.

實驗步驟：如圖6,將電磁爐接入220 V交流電，接通開關(guān)給其通電.用竹筷將圓形導(dǎo)線從電磁爐外緣逐步推至中心位置，可觀察到小燈泡從無光逐漸變亮.用竹筷挾住小燈泡，使燈泡線圈平面逐漸遠(yuǎn)離電磁爐臺面，小燈泡由亮逐漸變?yōu)闊o光.

圖6 電磁爐上的一圈導(dǎo)線點視小燈泡

結(jié)論：當(dāng)電磁爐線圈盤電路中通以變化的交變電流時，靠近它的小燈泡電路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.此時得出推論即互感發(fā)生于任何兩個相互靠近電路之間，可使學(xué)生對概念的學(xué)習(xí)由抽象變具體，并對課本介紹的電力工程中和電子電路中互感的相互影響有更深刻地認(rèn)識.

通過上述探究活動，可使學(xué)生更加全面、深刻地理解互感的定義及其在實際中的應(yīng)用.

以上實驗器材來源于生活，簡單易得，便于學(xué)生動手操作，用于課堂教學(xué)或?qū)W生課外小組合作進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，通過實驗很容易達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo).

參考文獻(xiàn)

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書.物理選修3-2(第2版) .北京:人民教育出版社,2006.1 ～25

附：實驗教學(xué)照片

用手機、功放、線圈探究互感現(xiàn)象：用手機連接一個線圈，另一線圈與功放相連.兩線圈置于同一水平細(xì)繩上.手機播放音樂，逐漸使兩線圈靠攏，功放中能聽到逐步增大的音樂聲.

用手機、功放、線圈探究互感現(xiàn)象：收音機中的“磁性天線”實物模型.在互感傳聲的同時，將磁棒插入線圈中，可發(fā)現(xiàn)音量明顯加大.收音機中的“磁性天線”就是通過互感的原理，使電臺的信號由一個線圈傳遞到另一個線圈.

用手機、功放、線圈探究互感現(xiàn)象： “變壓器”實物模型.在互感傳聲的同時，將兩個線圈套在彩電行輸出變壓器鐵氧體磁芯上，可發(fā)現(xiàn)音量顯著加大.工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“變壓器”就是通過互感的原理，使能量由一個線圈傳遞到另一個線圈.

利用電磁灶探究互感現(xiàn)象及渦流的產(chǎn)生：用一圈漆包線連接1.5 V的小燈泡，使電磁灶工作，可見小燈泡發(fā)光.取下小燈泡，讓漆包線成一閉合圓環(huán)，在圓環(huán)四周涂上松香，之后置于電磁灶上，當(dāng)接通電源后，可見圓環(huán)上的松香被加熱后冒煙，這就是渦電流產(chǎn)生的焦耳熱.