一款渦流電磁阻尼演示儀的自制與創新

摘?要：對傳統渦流電磁阻尼演示實驗的改進，將傳統的雙管對比實驗改為斜面實驗，并將磁鐵與發光二極管組合在一起，可以直觀地觀察到磁鐵的運動情況，讓學生體驗磁鐵在金屬管中下落會受到阻力.實驗裝置取材容易、結構簡單、易于操作、性能穩定，便于教師自制推廣.

關鍵詞：自制教具;渦流;電磁阻尼

文章編號：1008-4134（2019）21-0048?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：徐婷婷（1991-），女，浙江臺州人，本科，中學二級教師，研究方向：中學物理學科教學.

在中學物理教學中演示電磁阻尼和渦流的實驗裝置有很多種，其中有雙管對比實驗：通過演示磁鐵在塑料管與金屬管中的下落情況，讓學生知道磁鐵在金屬管中下落會受到阻力.但是，由于金屬管和塑料管材質不同，而且金屬管不透明，學生很難想象磁鐵在金屬管中到底是如何運動的[1].

為了解決傳統實驗存在的各種局限性問題，筆者對傳統雙管實驗進行了改進.改進后的渦流電磁阻尼演示儀，可以讓學生直接觀察到磁鐵的大致運動情況.另外該實驗裝置取材容易、結構簡單、易于操作、性能穩定、現象直觀，且安全可靠，便于教師自制推廣.

1?實驗裝置構成與設計

1.1?實驗原理

如圖1所示，釹磁鐵沿金屬板構成的斜面向下滑動，使周圍的磁場分布發生變化.根據法拉第電磁感應定律，塊狀的金屬置于變化的磁場中，金屬導體內就會產生感應電流，該電流流線在金屬導體內呈閉合回路，類似水的漩渦形狀，故稱之為渦流.渦流又會產生磁場阻礙磁鐵的運動，這種現象稱為電磁阻尼.

1.2?實驗材料

支架、30cm×9cm銅板、鋁板、塑料板（其中厚度為1mm的銅板、鋁板、塑料板各一塊，另有一塊厚度為2mm的銅板）、白紙、直尺、圓柱形釹磁鐵、紐扣電池、發光二極管.

1.3?裝置組裝

如圖2所示，在磁鐵上固定紐扣電池和發光二極管，增強視覺效果.通過小塑料薄片插在紐扣電池和發光二極管的引腳之間來控制電路的通斷.實驗時，將塑料薄片取出，發光二極管即可發光.

如圖3所示，為了排除由于板表面粗糙程度不同對實驗結果造成的影響，在每塊板表面覆上一層材質相同的白紙.將不同材質的板并排斜靠在木質支架上，構成傾角大小相同的斜面.將兩塊釹磁鐵放置在兩塊板上的同一高度，用直尺擋住阻擋其下滑，如圖4所示.開始實驗時，拿開直尺，兩塊釹磁鐵同時開始運動，觀察比較兩塊釹磁鐵下滑的快慢，從而判斷電磁阻尼的有無及效果的強弱.

1.4?實驗現象

1.4.1?對比塑料板和銅板

取厚度相同的塑料板和銅板進行實驗，可以明顯觀察到磁鐵在塑料板上運動較快，在銅板上運動較慢，如圖5（a）所示.這個實驗現象可以證明電磁阻尼作用的存在，也可以證明在金屬導體中能夠形成渦流，從而對磁鐵產生阻礙作用，而在絕緣體中不會存在這種現象.

1.4.2?對比鋁板和銅板

取厚度相同的鋁板和銅板進行實驗，可以觀察到磁鐵在鋁板上運動較快，在銅板上運動較慢，如圖5（b）所示.這個實驗現象可以說明渦流的大小與金屬的材料有關，銅板和鋁板由于電阻率不同產生渦流的大小不同，因此產生電磁阻力的大小也會不同.

1.4.3?對比不同厚度的銅板

取厚度不同的銅板進行實驗，可以觀察到磁鐵在薄銅板上運動較快，在厚銅板上運動較慢，如圖5（c）所示.該實驗現象可以說明渦流的大小與金屬材料的厚度有關.

2?教學效果

本教具主要應用在人教版高中物理選修3-2第四章第七節渦流、電磁阻尼、電磁驅動中，在實際教學的應用中有以下特點：

2.1?科學性

教具演示的實驗內容符合科學原理，體現科學知識和科學過程相統一的原則，磁鐵從金屬板和塑料板上下滑的快慢形成鮮明對比，說明電磁阻尼是存在的，幫助學生形象地理解電磁阻尼以及電磁感應現象.此外對比磁鐵在不同電阻率和不同厚度的金屬上的運動快慢，可以直觀地展示影響渦流大小的因素.

2.2?創新性

教具設計新穎，構思巧妙，將原本不能用眼睛直接觀察到的渦流現象通過物體運動的快慢直觀地體現出來，而且實驗現象對比十分明顯，非常具有說服力.

2.3?啟發性

本教具體現的實驗現象能夠引發學生的學習興趣和思考，適于探究式教學，有利于學生主動參與、互動、合作交流.

2.4?實用性

本教具制作材料簡單，組裝方便，易于操作，成功率高，安全可靠，造價低廉，便于自制推廣，可用于教師課堂演示和學生分組實驗.

參考文獻：

[1] 潘天文，肖禹，呂華平.楞次定律雙管對比實驗的改進[J] .物理教學探討，2018 （9）：49-51.

（收稿日期：2019-08-08）