楞次定律的創新演示實驗

洪華標

（廣東梅縣東山中學，廣東梅州 514011）

目前大部分教材中探究感應電流方向的楞次定律演示實驗是這樣做的：利用磁鐵插入和拔出線圈,通過觀察電流表指針的偏轉方向來確定感應電流的方向，進而來判斷感應電流的磁場方向,從而分析得出楞次定律。

筆者認為原有實驗存在以下不足：（1）利用電流表的偏轉方向來判斷感應電流方向既復雜又抽象。（2）磁鐵插入和拔出線圈時指針發生偏轉，但很快又會回擺，容易造成學生的混淆，不清楚指針的擺向。（3）實驗記錄表設計復雜不利于實驗探究。

為解決上述問題，我們開發了一套新的楞次定律演示實驗的示教板。

1 制作示教板

（1）設計裝置圖，見圖 1。

圖1 裝置圖

（2）制作流程。

①制作示教板框架。將長90cm寬68cm的方木板作為底板，在木板上用螺絲固定鋁塑板材。

②制作引入實驗：將銅管和玻璃管用玻璃膠粘在示教板右上角，讓兩者處于同一高度，如圖1所示。

③制作螺線管。我們利用紅藍二極管的發光情況來確定感應電流方向。由于發光二極管的發光電壓需要3V，利用普通的條形磁鐵和螺旋管產生的電動勢達不到這個電壓。為了增大感應電動勢，我們有目的地增大線圈匝數，用銅線按順序地繞在線圈，一共繞了5000匝，在線圈上標示纏繞方向，然后用焊錫固定，留出兩根接線柱，螺線管安裝在鋁塑板上。

④圓柱形釹鐵硼超強磁鐵。為了增大感應電動勢，演示實驗我們采用了圓柱形釹鐵硼超強磁鐵 （比普通磁鐵強10倍左右）。

⑤制作二極管電路。紅、藍2個LED燈二極管分別焊在鋁塑板上，LED燈并聯反接，用導線與螺線管連接，形成閉合回路，繪制電路圖，如圖1所示。LED燈并聯反接，由于二極管有單向導電性，每次磁鐵插入和拔出線圈時產生的感應電流只能使其中一只二極管發光。由于我們繞制了5000匝的線圈，當強磁鐵插入和拔出線圈時，產生了足夠大的電壓，能使二極管正常發光。

2 引入實驗

使用示教板進行教學時，我們首先演示銅管對比實驗：讓兩個磁鐵同時開始在玻璃管和銅管下落，要求學生觀察兩者下落是否一樣快。學生可以觀察到實驗現象是：磁鐵在銅管中下落較慢。在教學時，我們可以適時向學生拋出問題：磁鐵為什么在玻璃管和銅管中下落不一樣快呢？在引起學生的濃厚興趣時，我們可以及時引入新課：要回答這個問題，我們要學習一種判斷感應電流方向的普遍規律：楞次定律。

3 探究實驗

教學過程中我們要引導學生猜想可能影響感應電流方向的因素：磁鐵的運動方向、磁場的方向、磁通量的增減等等，然后根據學生的猜想進行引導梳理，幫助學生分析確定可探討的因素，并設計記錄表格。

教師實驗時提出問題：如何確定感應電流的方向呢？學生經過探討，教師要適時給予點撥，讓學生知道由于二極管有單向導電性，每次磁鐵插入和拔出線圈產生的感應電流只能使其中一只二極管發光，可以根據二極管發光顏色判斷感應電流的方向。

圖2

表1

圖3

當強磁鐵N極插入螺線管時，藍色二極管發光，如圖2所示，原磁場方向向下，穿過線圈的磁通量增加，產生了感應電流，感應電流從藍色二極管正極進入使其發光，線圈中的感應電流方向（俯視看）為逆時針。

當強磁鐵N極向上拔出螺線管時，紅色二極管發光，如圖3所示，原磁場方向向下，穿過線圈的磁通量減少，產生了感應電流，感應電流從紅色二極管正極進入使其發光，線圈中的感應電流方向（俯視看）為順時針。

同理，線圈當強磁鐵S極插入或者拔出螺旋管時，根據二極管的發光情況可以判斷感應電流的方向。我們演示實驗過程中，要求學生填寫表1前三列。

4 引導中介，深入探究

問題引入：可以根據上面的實驗結果概括出感應電流的方向與磁通量變化的關系嗎?

當學生會發現僅僅根據以上結果很難概括出感應電流與磁通量的變化的關系。那要怎么樣才能找出它們的關系呢？可以找一個中介做一個橋梁。這個中介就是感應電流的磁場。感應電流的磁場方向既跟感應電流的方向有聯系,又跟引起磁通量變化的磁場有關系。

藍色二極管發光時，線圈中的感應電流方向（俯視看）為逆時針，由右手螺旋定律則知感應電流的磁場向上；紅色二極管發光時，線圈中的感應電流方向（俯視看）為順時針，由右手螺旋定律則知感應電流的磁場向下。把表1補充填寫完整。

5 歸納分析，得出結論

根據上面的探究結果，我們可以和學生一起分析歸納：原磁通增加，則感應電流磁場與原磁場相反，有阻礙變大作用。原磁通減少，則感應電流磁場與原磁場相同，有阻礙變小作用，即表現出“增反減同”，并將此概括為“阻礙變化”，由此我們可以得出判斷感應電流方向的規律：感應電流具有這樣的方向，就是感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁場的磁通量的變化，這就是楞次定律。

6 定律的理解和應用

在教學中，我們還要從以下兩方面闡述楞次定律中“阻礙”兩字的含義：（1）從阻礙磁通量變化看：誰起阻礙作用?——感應電流的磁場。阻礙什么?——原磁場磁通量的變化。如何阻礙?——“增反減同”。阻礙的結果?——不是阻止、不是相反，是延緩了變化的過程。（2）從相對運動看，感應電流的磁場總是阻礙相對運動，體現出“來拒去留”。在銅管（可視為很多線圈疊加而成）中，由于強磁鐵的下落產生感應電流，隨即產生磁場，由楞次定律可知感應電流產生的磁場會阻礙磁鐵下落，而磁鐵在玻璃管中下落不能產生感應電流，造成磁鐵在銅管中下落時間比較長。通過解說既能使學生明白銅管對比實驗的實驗原理，又能讓學生享受學以致用的喜悅。

7 實驗創新之處

我們認為這款楞次定律的演示裝置主要有以下創新之處：（1）利用發光二極管的單向導電性能快速確定感應電流的方向。強磁鐵進出螺線管時根據不同顏色發光二極管的發光情況能快速確定感應電流的方向，進而判斷原磁場和感應電流磁場的方向，驗證了楞次定律，避免了利用電流表的偏轉方向來判斷感應電流方向的繁瑣過程。（2）紅、藍色二極管發光亮度高，實驗現象明顯，能極大地引起學生的注意力，實驗演示效果好。（3）引入實驗現象對比明顯，磁鐵在銅管中下落要比在玻璃管中下落得慢，與學生兩個鐵球同時落地的經驗相矛盾，能較好地引起學生的學習興趣,激發學生的探究熱情。（4）示教板把演示實驗從平面走向立體，實驗操作簡單，實用便捷，演示效果好。