“感應電流產生條件演示儀”的制作與運用*

孫春成 徐凌峰

(江陰市青陽中學 江蘇 無錫 214401)

在進行“探究感應電流產生的條件”教學時，筆者始終圍繞感應電流產生的條件“穿過閉合回路的磁通量發生變化”來設計探究性實驗.筆者首先設計了3個實驗方案，提供了必要的實驗器材給學生，讓學生進行自主探究.筆者給這3個實驗方案提供的器材如圖1所示.

圖1 3個實驗方案的實驗器材

第一個實驗和第二個實驗都是設法改變磁感應強度B，而線圈的面積保持不變，第三個實驗則是磁感應強度B保持不變，而設法改變線圈的有效面積.通過學生的反復探究，筆者引導學生得出一個階段性結論：磁感應強度B和線圈有效面積S，只要有一個量發生變化，閉合回路中就會產生感應電流.

筆者沒有就此停步，而是進一步追問：如果磁感應強度B變化，線圈的有效面積S也變化，會不會產生感應電流呢？產生感應電流的根本條件是什么呢？為了引導學生進一步進行深入探究，筆者自己設計并制作了一件裝置，取名為“感應電流產生條件演示儀”(圖2)，取得了良好的教學效果.

圖2 自制的感應電流產生條件演示儀

下面是筆者制作該演示儀的過程.

(1)將兩塊直徑為5 cm的圓柱形強磁鐵(中間有圓孔的那種，如圖3所示)疊放在一起(由于磁性很強，要注意別夾傷手指！),這樣做的目的是為了進一步增強磁鐵的磁性，有利于后面進行制作時能夠較為清晰地模擬出磁感線，也有利于在課堂上進行實驗時能夠產生較為明顯的感應電流.

(a)中間有圓孔的強磁鐵

(b)兩塊強磁鐵疊放

(2)取一張A4紙(也可以用玻璃板或亞克力板，但是效果不及A4紙)，在A4紙上均勻地撒上極細的鐵粉.該步驟想象起來很簡單，但是操作起來困難較大，因為很難做到將鐵粉撒得十分均勻，而如果鐵粉分布不均勻，會導致實驗過程中鐵粉模擬出的磁感線十分模糊.筆者多次嘗試，最后，在裝鐵粉的塑料瓶瓶蓋上用針刺出一些細孔，類似于撒胡椒粉一樣在A4紙正上方反復抖撒，同時輕輕敲擊玻璃板，終于較為均勻地在A4紙上平鋪了薄薄的一層鐵粉，如圖4所示.

圖4 均勻鋪撒鐵粉

(3)將鋪有均勻細鐵粉的A4紙輕輕地置于桌子邊緣，將步驟(1)中的圓柱形磁鐵從桌子邊緣外，緩慢靠近A4紙與桌子邊緣接觸的那一側的中點，如圖5所示(注意，此過程一定要較為緩慢，稍有不慎，A4紙上的鐵粉會一下子被強磁鐵幾乎全部吸引過去).

圖5 將磁鐵緩慢靠近A4紙

固定好磁鐵，并輕輕敲擊桌面，我們會發現，A4紙上薄薄的鐵粉在磁場作用下，會逐漸呈現出有規律的排布.鐵粉的排布較為清晰地顯示出了強磁鐵的磁感線分布.筆者從A4紙正上方用相機拍下了鐵粉的分布,如圖6所示.

圖6 在磁場作用下鐵粉的分布圖

(4)打印出鐵粉分布的照片，根據鐵粉的分布情況描繪出兩條“磁感線”，并請一個企業的繪圖工程師根據這兩條磁感線繪制出了該強磁鐵部分磁感線的立體分布圖，如圖7所示.

(a)

(b)

接下來，根據該立體圖用數控機床對一段圓柱形木頭進行加工，從而形成了本“感應電流產生條件演示儀”的主體.為了進一步增強演示效果，筆者還從該木件主體底部中心向上開了一個直徑約2 cm，高度為10 cm的圓柱形孔，并在孔內填入一塊大小一樣的鐵圓柱.

(5)將圓柱形強磁鐵安裝在木質演示儀主體的頂部，為防止實驗過程中強磁鐵不慎滑落，筆者還從圓柱形磁鐵中心圓孔中向下打入一根鐵釘進入木件，以固定該強磁鐵.再將一根長約1.5 m的導線連接在一個靈敏電流計上，組成了一個閉合回路.這樣，木件主體與連接了導線的靈敏電流計就組成了“感應電流產生條件演示儀”，即圖2所示.

教學過程中，筆者將連接電流計的導線的一部分圈成一個線圈，在實驗操作開始前提問學生：老師將該線圈從位置1緊貼著木件平移到位置2的過程中(圖8)，線圈中會不會產生電流呢？

圖8 問題情境圖示

我們知道，線圈平移時，距離磁鐵越遠，磁感應強度B就越小，而線圈有效面積S就越大；距離磁鐵越近，磁感應強度B就越大，而線圈有效面積S就越小.在這個過程中，磁感應強度B和線圈有效面積S都在發生變化，而之前他們自己所做的探究實驗中，磁感應強度B和線圈有效面積S只有一個發生變化.因此，學生非常好奇，紛紛討論，并猜測結論.

筆者在學生熱切的關注下，將線圈緊貼著木件從位置1平移到位置2，學生發現，整個過程中，電流計指針始終沒有轉動，即閉合回路中未產生感應電流.

筆者引導學生分析：在線圈平移的過程中，由于線圈是緊貼著木件平移，因此，穿過線圈的磁感線的條數沒有變化，即穿過線圈的磁通量沒有改變.結合剛才自己所進行的探究實驗而得出的結論，學生們終于得出產生感應電流的條件：穿過閉合回路的磁通量發生改變.

在學生總結出該結論之后，筆者要求學生繼續觀察以下操作，如圖9所示,并進一步思考：

(1)觀察線圈從磁鐵上方套入磁鐵時，是否有感應電流產生？

(2)與問題(1)相反，觀察線圈離開磁鐵時，是否有感應電流產生？

(3)線圈沒有緊貼木件而上下平移時，是否有感應電流產生？

圖9 思考3種情況是否有感應電流產生

學生觀察后發現，這3種情況下，均產生了感應電流.筆者追問為什么？學生討論后指出：這3種情況中，線圈運動時，穿過線圈的磁感線的條數，即磁通量，均發生了變化，因此產生了感應電流.筆者認為，這樣的進一步實驗、觀察和追問，有利于學生深刻領會感應電流產生的條件，深化對結論的認識和理解.

筆者在制作過程和上課過程中體會到，教師根據教學需要精心設計、親自制作實驗裝置，帶領學生親身經歷實驗過程，不僅能夠有效地提高課堂效率、激發學生的學習興趣、培養學生的物理學科核心素養，也有利于促進教師對教學內容進行深入思考，有效增強了教師的動手能力和教學能力，切實提升了教師的個人業務素質.