自制教具探究“產生感應電流的條件”

李 韻

(深圳市高級中學，廣東 深圳 518000)

“產生感應電流的條件”選自粵教版高中物理選修3-2,是第1章“電磁感應”的重要內容,本節是學習電磁感應現象和楞次定律的基礎,無論從知識結構而言,還是從培養物理學科素養而言,本節內容都值得教育研究者反復研究,精心設計．

已有許多優秀物理教師就此章節的教學邏輯和教具設計,實驗創新等方面都做過許多研究,其中幾乎所有教師都是利用條形磁鐵與通電螺線管實現磁通量的變化,進而探究感應電流的產生,作為核心的探究實驗．在此,筆者對核心實驗進行了新的設計及改進,望能提供參考．

1 學生學習情況分析

學生在初中就接觸過磁能生電的知識,但當時的學習并不深入,讓學生有一個錯誤的認識:閉合回路必需切割磁感線才能產生感應電流．為了推翻學生錯誤的認知,建立新的知識體系,需要一個邏輯嚴密又有說服力的實驗過程．

在常規教學中,為推翻上述錯誤認知,需要利用通電螺線管進行實驗．如圖1所示連接電路,在接通開關瞬間,或者斷開開關瞬間,靈敏電流指針發生偏轉,說明即使不切割磁感線也能產生感應電流．通過現象,讓學生產生認知沖突,從而推翻錯誤的前概念．

圖1

而后需要向學生展示當磁感應強度不變時,閉合回路的正對面積改變可以產生感應電流; 當閉合回路正對面積不變時,改變磁感應強度的大小也能產生感應電流．從傳統實驗的邏輯只能得出,感應電流的產生與磁感應強度的變化和回路面積的變化都有關系,而不能嚴謹得出感應電流的產生與磁通量的變化有關．本節的知識點比較抽象,讓學生從磁感應強度和回路面積聯想到磁通量就很不容易了,加上實驗邏輯的漏洞,導致說服力不足,學生理解起來就難上加難了．

2 實驗器材的設計與改進

鑒于以上理由,有必要對教材的教學編排稍加修改并深化．為了更有利于學生的實驗探究,筆者制作了以下實驗器材．

器材1:自制大型螺線管.

圖2

如圖2,用直徑為0.67 mm的漆包線,繞在直徑約為150 mm透明管中,制作成一個大的螺線管,成品如圖2所示，每一捆漆包線線圈50匝,共8捆．利用透明管來制作主體部分是為了讓學生能更好地觀察小線圈在管中的運動．小線圈可以利用實驗室常用的線圈加工即可(如圖2大螺線管下的便是小線圈)．為實驗方便，大螺線管的直徑需要略大于小線圈對角線．美觀起見,旁邊還制作了兩個接線柱,而底座支架由纖維玻璃制成．通電后,根據通電螺線管產生的磁場分布情況,螺線管的兩端產生了非勻強磁場,在螺線管中部產生了一片近似的勻強磁場．自制螺線管,線圈,學生電源(直流電12 V至14 V),開關,及滑線變阻器(500 Ω),按照圖1連接電路,組成了第1組實驗儀器．

器材2:磁感線模具.

為探究“在磁感應強度和閉合回路正對面積都變化,而磁通量不變時,能否產生感應電流?”翻閱了一些文獻,以及網絡搜索發現,杭州市長河高級中學的韓丹老師在公開課中和江蘇的譚慶仁老師在文章都使用了同樣的一個實驗儀器．可以利用一個與磁感線重合的模具來探究上述問題①．筆者稍作修改,制作了一套實驗儀器,如圖3所示．

圖3

先將強磁鐵固定于泡沫板,撒上鐵粉,輕輕抖動泡沫板,鐵粉會反應出該強磁鐵的磁場分布．利用透明玻璃繪制磁感線,根據磁感線,旋轉360°可確定模具外形．在實驗中需要線圈沿著模具外壁滑下大小可以伸縮,由此要求線圈較為柔軟,利用下滑過程撐開橡皮來改變閉合回路正對面積的大小．

許多文獻中都提到,漆包線套在橡皮筋上可以制作可伸縮的線圈,經過多次實驗,橡皮圈線圈在匝數上達不到實驗要求,而且橡皮在實驗過程中容易斷裂．實驗室的條形磁鐵產生磁場也不能滿足實驗的要求．在制作次模具時,建議使用工業上的強磁鐵,強磁鐵產生的磁感應強度較大,對線圈匝數的要求就相應變小了．在制作線圈(約50匝)時,需要用柔軟的漆包線,可以用絕緣膠帶故固定漆包線,實驗過程中用手控制閉合回路的正對面積為佳．

將模具加上底座,線圈連接靈敏電流計,便可組裝成如圖4所示的第2組實驗儀器．

圖4

3 教學過程中實驗儀器的應用

利用上述儀器,教師可圍繞本節提出4個核心問題.

問題1:是否切割了磁感線就一定會產生感應電流?

圖5

使用第1組實驗儀器,連接電路,接通開關,如圖5所示,學生可以將線圈從上面的小孔放入通電螺線管的勻強磁場區域,在螺線管中勻強磁場的區域內上下移動．此時閉合線圈在勻強磁場中,切割了磁感線,但靈

敏電流計指針沒有偏轉,沒有感應電流產生,說明切割了磁感線,不一定會產生感應電流,由此使學生產生了認知沖突,推翻了初中課本中的說法．

問題2:不切割磁感線能產生感應電流么?

使用第1組實驗儀器,如圖5所示,將線圈放入通電螺線管中,保持靜止,迅速改變滑動變阻器的阻值,使得管內的磁感應強度發生明顯變化,可以觀察到靈敏電流計的指針發生偏轉,產生了感應電流．進一步說明,即使不切割磁感線也可以產生感應電流,同時也可得出,感應電流的產生和磁感應強度的變化有關．

問題3:感應電流的產生與什么因素有關?

將線圈放入自制通電螺線管中,在保持磁感應強度不變的前提下,可以轉動線圈,改變閉合回路的正對面積,可觀察到靈敏電流計指針偏轉,產生了感應電流．結合問題2的結論可得,感應電流的產生與磁感強度變化和閉合回路正對面積的變化有關．

此處教材的處理是,由磁感應強度和閉合回路正對面積的變化合理聯想到與磁通量的變化有關,便得出產生感應的電流的根本條件．從邏輯而言,這個推理和聯想要被佐證,而不能由聯想得出結論．所以還需要一個更有說服力的實驗,驗證在磁感應強度和閉合回路正對面積都發生變化,而磁通量不變的情況下,沒有感應電流產生．如此才能合情合理地得出結論．

問題4:在磁感應強度和閉合回路正對面積都變化,而磁通量不變時,能否產生感應電流?

使用第2組實驗儀器,實驗過程中,只要可伸縮線圈沿模具外壁下滑,下滑過程中磁感應強度變小了,閉合線圈的正對面積變大了,但是通過閉合回路的磁感線條數沒有變,

即磁通量沒有變,可以觀察到沒有感應電流產生,說明只要磁通量沒有變化,則不會產生感應電流．

文獻[1]中提及,將線圈“慢慢”下滑,筆者認為稍有不妥．慢慢下滑過程,磁通變化率很小,即使產生了感應電流,電流也很小,故現象不明顯,不能說明問題．應是將線圈迅速下滑,實驗結論更有說服力．

通過以上4個核心問題,經過嚴謹的實驗過程和嚴密的邏輯推理,最終引導學生得出一個可靠的實驗結論:“閉合回路的磁通量發生改變,才能產生感應電流”．也正是通過這樣的教學過程,讓學生感受物理結論的得出并不是一蹴而就的,而是需要通過反復的實驗,反復的推敲,不斷提出問題、解決問題,才能更接近真理．

參考文獻：

1 譚慶仁.探究教學應突出思維認同[J].物理教學，2015,37(12)： 31-33.

2 陳怡佳. 電磁感應現象的實驗探究[J]. 物理教學,2010,32(6)： 24-25.

3 陸光華.感應電流產生的條件教學設計與反思[J].物理教師,2015,36(12)： 18-20.