感應(yīng)電流產(chǎn)生器的制作與使用

(1. 南京市雨花臺(tái)中學(xué),江蘇 南京 210000; 2. 鹽城市亭湖高級(jí)中學(xué),江蘇 鹽城 224301)

2017年12月,教育部制定并發(fā)行了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》,其實(shí)施建議中強(qiáng)調(diào):在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中要重視情境的創(chuàng)設(shè)．創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用．物理概念的建立需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境．[1]創(chuàng)設(shè)情境的方法有多種,而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的引入最為常見(jiàn)．

在探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件時(shí),教師為了創(chuàng)設(shè)情境,可呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也多種多樣．現(xiàn)行各種版本的教材中,多數(shù)是利用磁鐵插入、拔出閉合線圈的方法,根據(jù)靈敏電流計(jì)的電流方向和偏轉(zhuǎn)角度,來(lái)探尋“磁生電”的規(guī)律．上述實(shí)驗(yàn)?zāi)M了法拉第探究感應(yīng)電流的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相對(duì)清楚,是眾多教師上課時(shí)的首選方案．但是在演示過(guò)程中,要處理好檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向的關(guān)系、線圈繞向與電流方向的關(guān)系,才方便觀察感應(yīng)電流的方向,學(xué)生對(duì)線圈中感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場(chǎng)方向的準(zhǔn)確判斷還存在一定難度．

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室有一傳統(tǒng)就是:“用最平常的儀器做出最優(yōu)秀的成果才算真本事．”李政道曾說(shuō):“自己動(dòng)手做的儀器,永遠(yuǎn)比買(mǎi)的好,這是一條定理．”[2]本著這一信念,筆者從身邊的材料出發(fā),利用亞克力有機(jī)玻璃管、漆包線、彈力球、彩色LED貼片,設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)電流產(chǎn)生器．結(jié)合LED燈片和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備,可以定性和定量地探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件、大小和方向的相關(guān)因素．本文就器材的制作和推廣使用作詳細(xì)闡述．

1 實(shí)驗(yàn)教具示意圖

圖1所示為本教具的示意圖,由有機(jī)玻璃管(a)、銅漆包線繞制的螺線管(b)、LED發(fā)光二極管(c)、釹鐵硼強(qiáng)磁鐵(d)等部件組成．

圖1 實(shí)驗(yàn)教具示意圖

2 實(shí)驗(yàn)教具制作

圖2所示為器材原料:帶有螺帽的有機(jī)玻璃管(長(zhǎng)70 cm)一根(a)、海綿保護(hù)套兩個(gè)(b)、橡皮彈球一個(gè)(c)、釹鐵硼強(qiáng)磁鐵一塊(d)、紅黃綠藍(lán)四種顏色的LED貼片8根(e)、直徑0.44 mm的漆包線若干米(f)．

圖2 器材原料

器材的制作步驟:將漆包線同向繞制180匝,與LED貼片串聯(lián)并貼在有機(jī)玻璃管上,左右對(duì)稱(chēng)各繞四組．強(qiáng)磁鐵為釹鐵硼材質(zhì),該材料特點(diǎn)是磁性強(qiáng)但硬度小,在與螺帽相互撞擊時(shí)很容易損壞,對(duì)玻璃管傷害也比較大,所以用強(qiáng)力膠在玻璃管螺帽上粘貼彈力球,以保護(hù)磁鐵,如圖3(a)、(b)所示．

將磁鐵放入玻璃管中,擰緊螺帽,如圖3(c)所示．在玻璃管兩側(cè)套上塑料泡沫以保護(hù)玻璃管,實(shí)驗(yàn)器材成品圖如圖3(d)所示．

(a) 切割彈力球 (b) 將彈力球粘貼到螺帽上

(c) 放入強(qiáng)磁鐵 (d) 實(shí)驗(yàn)器材成品圖

3 教具使用方法

用途1:作為探究感應(yīng)電流條件引入新課的趣味實(shí)驗(yàn)．

封閉玻璃管,以一定的速度來(lái)回晃動(dòng)玻璃管中的磁鐵時(shí),我們可以觀察到LED貼片發(fā)出了醒目的七彩光芒(如圖4)．

(a) 綠色LED貼片 (b) 藍(lán)色LED貼片

此實(shí)驗(yàn)作為創(chuàng)設(shè)物理情境,物理現(xiàn)象比傳統(tǒng)的課本演示實(shí)驗(yàn)更為明顯,更容易吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生的興趣．學(xué)生也會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn):明明沒(méi)有電源,為什么LED燈片可以發(fā)光?從而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生原因做更深一步的探究,得到產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．

用途2:探究影響感應(yīng)電流大小的因素．

將該實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器串聯(lián),如圖5(a)所示,可以得到磁鐵通過(guò)一組線圈時(shí)線圈中電流變化的過(guò)程．如圖5(b)所示,是磁鐵N極向下自由落體運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺線管時(shí)電流的圖像．觀察電流時(shí)間圖像可以得到:感應(yīng)電流的大小與磁鐵通過(guò)螺線管的速率有關(guān),不同的速率對(duì)應(yīng)磁鐵穿過(guò)螺線管的時(shí)間不同,磁鐵通過(guò)螺線管的時(shí)間越短,感應(yīng)電流越大．而磁通量變化量是一樣的,也就是說(shuō),磁通量的變化率越大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大．

從數(shù)字化信息采集處理系統(tǒng)(DIS)數(shù)據(jù)采集器得到的I-t圖像我們還可以看出,N極進(jìn)入螺線管和S極離開(kāi)螺線管產(chǎn)生的電流方向相反,這說(shuō)明感應(yīng)電流的方向與磁場(chǎng)的方向有關(guān)．我們用S極進(jìn)入螺線管,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流方向與N極進(jìn)入螺線管方向相反．說(shuō)明感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化有關(guān)．通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),可以得到這樣的結(jié)論,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流磁場(chǎng)磁通量的變化．

(a) (b)

用途3:定量分析感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式．

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,計(jì)算得到通過(guò)單組線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

LED貼片的額定電壓約為6 V,當(dāng)改變?cè)褦?shù)(如減少為100匝),或者改變運(yùn)動(dòng)的時(shí)間(如減慢磁鐵來(lái)回運(yùn)動(dòng)的速度),會(huì)發(fā)現(xiàn)LED貼片亮度的變化,甚至出現(xiàn)不亮的現(xiàn)象,不斷調(diào)整匝數(shù)和運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,可以比較精確的計(jì)算出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小,從而得出法拉第電磁感應(yīng)定律的具體表達(dá)式．

本自制教具力求創(chuàng)設(shè)物理情境形成物理概念;提高學(xué)生科學(xué)思維的模型建構(gòu)和質(zhì)疑創(chuàng)新能力;本著提高科學(xué)探究能力,嘗試提出問(wèn)題并作出合理的解釋,以達(dá)預(yù)期效果．