趣味電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)裝置

李碩 馬紹玲 陳增宇 毛明駿 黃宏銳 陳曉莉

【內(nèi)容摘要】實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)獨(dú)立的電路、條形磁鐵、電磁鐵及塑料管道、螺線管、彈簧等組成。通過電磁鐵控制條形磁鐵，利用電磁感應(yīng)原理巧妙地將兩個(gè)獨(dú)立的電路聯(lián)系起來(lái)，由于彈簧彈力的作用，條形磁鐵上下反復(fù)運(yùn)動(dòng)，多次產(chǎn)生感應(yīng)電流。該實(shí)驗(yàn)裝置主要演示趣味電磁感應(yīng)現(xiàn)象，幫助學(xué)生更好地理解電磁感應(yīng)原理。

【關(guān)鍵詞】電磁感應(yīng) 電磁鐵 實(shí)驗(yàn)裝置

引言

電磁感應(yīng)是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書選修3-2第一章的內(nèi)容，是高中物理電磁學(xué)部分教學(xué)的重點(diǎn)。第二節(jié)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”，教材首先在初中導(dǎo)線切割磁力線實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上演示感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)到電與磁之間是存在聯(lián)系的，然后通過原副線圈實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件[1]。這種直奔教學(xué)主題的教學(xué)思路缺少激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望的導(dǎo)入環(huán)節(jié)。在教學(xué)中，老師如能通過趣味性的實(shí)驗(yàn)演示，先激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出探究問題，再圍繞探究問題進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，這樣的教學(xué)能更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

一、裝置組成

圖1是裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，空間結(jié)構(gòu)是上下兩個(gè)平面A、B，四個(gè)柱子C起支撐的作用，在兩平面之間還有一根空心的圓管D（外用不透明的紙包裹住），此圓管有兩個(gè)作用，除起到掩藏條形磁鐵的作用外還有保證條形磁鐵豎直下落的作用。空心圓柱下面是一個(gè)不透明的空心盒子E，里面放置螺線管。在螺線管中放置有彈簧，彈簧的下端固定在下平面上，保證大圓柱、螺線管、彈簧的中心在一條豎直線上。

圖2是上平面電路示意圖，電路由電源E（電壓6V）、開關(guān)K、導(dǎo)線、2個(gè)小燈泡（額定電壓3v）、電磁鐵組成。其中，兩個(gè)小燈泡與電磁鐵并聯(lián)。實(shí)驗(yàn)中用電磁鐵控制條形磁鐵的釋放。圖3是下平面電路示意圖，電路由螺線管、導(dǎo)線、發(fā)光二極管、靈敏電流計(jì)組成閉合回路。實(shí)驗(yàn)中利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象將螺線管用作電源。

二、裝置原理

巧妙地利用電磁感應(yīng)原理，閉合上面電路開關(guān)，在電磁鐵的作用下條形磁鐵懸掛于空心圓管中，此時(shí)上回路中的2個(gè)小燈泡正常發(fā)光，回路中有電流，下面回路中靈敏電流計(jì)無(wú)偏轉(zhuǎn)、無(wú)電流。

斷開上面電路開關(guān)，小燈泡熄滅，電磁鐵磁性消失，條形磁鐵被釋放。條形磁鐵通過塑料管落至下面螺線管中的彈簧上，由于彈力作用，條形磁鐵被彈起，從而條形磁鐵在螺線管中上下往返運(yùn)動(dòng)切割磁感線，進(jìn)而產(chǎn)生多次變化的磁通量，在下面電路中出現(xiàn)方向變化的感應(yīng)電流，于是檢流計(jì)指針左右偏轉(zhuǎn)。

三、裝置運(yùn)用

按照實(shí)驗(yàn)裝置圖1，將實(shí)驗(yàn)裝置組裝好，按圖2、圖3連接好上下2個(gè)電路，上下電路均布置在木板上。

（1）演示實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象

首先閉合上面電路開關(guān)。在電磁鐵的作用下條形磁鐵懸掛于不透明膠管中，小燈泡正常發(fā)光，下面回路中靈敏電流計(jì)無(wú)偏轉(zhuǎn)、無(wú)電流。

然后斷開上面電路中開關(guān)。小燈泡熄滅，條形磁鐵被釋放。下面回路的靈敏電流計(jì)卻左右偏轉(zhuǎn)，二極管間接發(fā)光。

（2）提出問題，尋找原理

演示完成，學(xué)生觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，老師及時(shí)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行分析，針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出問題：下面回路中電流哪兒來(lái)的？靈敏電流計(jì)指針為什么左右偏轉(zhuǎn)？

（3）再做實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象揭秘

將包裹空心圓管的有色紙去掉，用另外一根系有細(xì)繩的條形磁鐵將空心圓管中的條形磁鐵吸出來(lái)，然后重復(fù)第（1）步操作。在進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)操作的過程中，老師應(yīng)該仔細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)裝置的“秘密”，讓學(xué)生的疑惑得到解答，充分理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

結(jié)束語(yǔ)

裝置的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用彈簧，在彈力的作用下條形磁鐵反復(fù)切割磁力線，產(chǎn)生變化的電流，讓檢流計(jì)的指針反復(fù)左右偏轉(zhuǎn)，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，也讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀。裝置不但能形象直觀地演示電磁感應(yīng)的現(xiàn)象，而且可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)電與磁相互聯(lián)系的思考、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并且裝置成本低、制作簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、效果明顯、外觀美觀，值得推廣。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 人民教育出版社物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理（選修3-2）[M] .北京：人民教育出版社，2010.

[2] 蔣達(dá)國(guó)，孫心瑗，等.用控制變量法探究電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（5）：30-32.

【資助項(xiàng)目：重慶市第七期青少年創(chuàng)新人才培養(yǎng)雛鷹計(jì)劃項(xiàng)目“基于創(chuàng)客教育提升中學(xué)生核心素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的實(shí)踐研究”資助. 】

作者簡(jiǎn)介：第一作者李碩，西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2015級(jí)本科學(xué)生.通訊作者：陳曉莉，女，重慶市梁平人，副教授，主要從事課程與教學(xué)論（物理）.

（作者單位：1.西南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2重慶市朝陽(yáng)中學(xué)校）