自制實驗儀器 探究感應電流產生條件

(江蘇省昆山中學,江蘇 蘇州 215300)

“探究感應電流的產生條件”是一節實驗探究課，該節內容是學習電磁感應定律和楞次定律的基礎，主要通過閉合導體切割磁感線、條形磁鐵與線圈發生相對運動、模擬法拉第電磁感應實驗這三個實驗完成教學，在教學中，應該創新、優化實驗，促使學生參與到實驗過程中。

1 實驗器材的制作背景

1.1 課本中設計的實驗方案

人教版高中物理教科書中“探究感應電流的產生條件”的實驗方案如下：

(1) 如圖1a所示，閉合電路的一部分切割磁感線運動時，電路中會產生感應電流；

(2) 如圖1b所示，將磁鐵的N或S極垂直插入線圈，觀察磁鐵插入、靜止、抽出時電流表指針的擺動方向；

(3) 如圖1c所示，將線圈A通過變阻器和開關連接到電源上，線圈B的兩端連接到電流表上，把線圈A裝在線圈B里面，閉合、斷開開關、改變流過線圈A中的電流時，觀察電流表指針的情況。

圖1

1.2 課本實驗的不足

(1) 關于閉合回路中的部分導體切割磁感線產生感應電流，學生僅能夠明白水平面積大小的改變。

(2) “模擬法拉第電磁感應”實驗運用的器材較多，而學校實驗室器材數量有限，不能夠滿足學生的需求。另外，分析過程較為復雜，不利于調動學生的興趣與積極性。

2 自制實驗儀器的設計與制作

2.1 制作材料

強磁鐵、木板、細銅絲、PVC管、泡沫塑料塊等。

2.2 自制實驗儀器的制作

(1) 矩形線圈制作

① 如圖2所示，用PVC塑料管制作一個矩形框，尺寸為140mm×80mm，為了使矩形框能夠水平伸縮，便于改變線圈的面積，制作時矩形框的左邊用了Φ20的PVC塑料管，右邊則用了Φ16的PVC塑料管；

圖2

② 將細銅絲通過多匝均勻纏繞的方式將其纏繞于矩形框的外側，為了確保細銅絲不脫落，在矩形框4個彎頭的頂部鑿出一個凹糟，將細銅絲卡到里面；

③ 運用兩根長短一樣的Φ16的PVC管，通過纏繞棉線、用熱熔膠固定于矩形框的兩端。

(2) 均勻磁場條件的實現

① 將兩塊木板制作成底座和支板，在支板上面固定一個長為150mm、寬為100mm、高為3mm的木板，在150mm×100mm×3mm木板的兩側鑿出一個寬度為25mm、距木板中線距離為70mm的縫，并放置鐵角架；

② 將兩塊磁鐵以異極相對的方式，放置于鐵角架上，并確保兩塊磁鐵之間的距離為140mm,使矩形線圈能夠自如旋轉；

③ 用彩色貼紙將磁鐵的N、S極標注出來，便于學生觀察和教師的講解，更便于清楚描述N極指向S極的勻強磁場。

(3) 實驗儀器組裝

① 用熱熔膠將兩個相同的方形泡沫塑料塊粘于木板上，確保矩形線圈具有較好的穩定性；

② 在泡沫塑料塊的恰當位置上插入Φ20的PVC管，并將矩形線圈兩端Φ16的管分別插入到Φ20的管中；

③ 將矩形線圈放置于兩塊磁鐵的中間位置，并將矩形線圈預留的兩截銅絲連接到電流表上，進而構成閉合回路(如圖3)。

圖3

3 自制實驗儀器在物理教學中的應用

在課堂上，結合“自制感應電流產生條件演示儀”開展了兩個探究活動，不僅調動了學生的積極性，促使每位學生參與到實驗中，加深了學生對知識的理解，為學習法拉第電磁感應定律和楞次定律打下了良好的基礎。

3.1 改變勻強磁場中線圈面積的大小

自制矩形線圈具有伸縮功能，在課堂上筆者通過伸、縮矩形線圈改變線圈的面積，引導學生認真、細心觀察電流表指針的偏轉情況(如表1)，進而認識線圈面積大小的變化時會產生感應電流。結合圖4，引導學生通過現象分析，認識到：當線圈面積發生變化時，穿過線圈磁感線的條數也會發生相應的變化，并產生感應電流。這樣，在下面的學習中，學生會沿著“分析磁感線數量變化”這一思路進行分析，進而把握住“磁通量大小變化”的本質要素。

表1

圖4

3.2 旋轉勻強磁場中的矩形線圈

旋轉線圈時，發現電流表指針會發生偏轉(如表2)。在課堂上，筆者將人教版教材中出現的“有效面積”引入到課堂上，結合圖5，使學生認識到在“旋轉過程中線圈的有效面積發生了改變”，導致穿過線圈有效面積的磁感線數量發生了改變，進而產生了感應電流。這樣，不僅將抽象的問題具象化、直觀化，還加深了學生對磁通量的理解，更將“有效面積”這一概念引入到課堂上，拓展了學生的知識面，便于學生建立完善的知識結構。

表2

圖5

3.3 組織開展學生自主探索活動

將學生分為3-5人的學習小組，讓學生以小組為單位，通過實際操作“感應電流產生條件演示儀”，尋找其他產生感應電流的方式，并讓小組代表上臺進行演示。動手操作不僅有助于培養學生的實驗能力，還能夠拓展學生的思維，培養學生分析能力、實踐能力以及探索能力，進而促使學生的核心素養得到提升。在組織開展自主探索活動過程中，教師并非是“甩手掌柜“，而要深入到學生中間，了解學生學習的實況，及時給予學生指導和點撥，實現“當堂事，當堂畢”。

4 結語

結合物理教材、學情等因素制作實驗儀器，有助于幫助學生理解知識，提升學生物理知識的掌握水平，也有助于激發學生的求知欲，促使學生的學習由“被動學”向“主動學”的轉變，促進學生動手能力、探究能力的提升。在自制實驗儀器時，要遵循器材易得、結構簡單、實驗直觀、誤差較小等原則，始終貫徹“以學生發展為本”的理念，落實素質教育的要求，促使學生的物理核心素養得到提升。