電磁阻尼和電磁驅動的幾個實驗設計

◇ 江西 曹 華

物理是一門以實驗為基礎的學科,高中物理教學要經常進行實驗教學,這是培養學生科學探究能力的重要途徑．2020年新冠肺炎疫情期間江西省教育廳組織了線上教學,筆者參與了高中物理的線上課程錄制．為達到更好的課堂效果,在教學中培養學生的科學探究能力,筆者設計了幾個演示實驗．這些實驗取材方便,效果明顯,可操作性強．現將實驗設計和制作方法介紹如下,以供參考．

1 豎直軌道電磁阻尼演示裝置

1)實驗器材:鋁質軌道、強磁體、鋁板、塑料板．

2)設計思路:鋁板運動,經過磁體附近時會產生感應電流,從而受到阻礙其運動的安培力．塑料板經過磁體附近時不會產生感應電流,因此運動過程不會受到阻礙．讓鋁板和塑料板一起下落,通過對比可明顯看出鋁板經過磁體時緩慢下落,而塑料板快速下落．

3)制作方法:將兩個鋁質軌道(可用鋁合金紗窗的邊框制作)用支架沿豎直方向固定,在軌道中部安裝一個鐵質橫條,強磁體可吸附在鐵質橫條上,軌道長度1m 左右,兩導軌間距離20cm,裁剪大小形狀相同的鋁板和塑料板(五金市場有售或從網上購買)．鋁板和塑料板制作成邊長略小于兩導軌間距離的正方形．

4)操作方法:讓鋁板和塑料板從同一高度由靜止釋放．實驗前可讓學生檢驗鋁板材質,確認鋁板不會被磁體吸引;為增強實驗的趣味性,也可將軌道裝有磁體的一面背向學生,設置一些懸念,實驗完成后再向學生揭秘．

2 鋁質水桶電磁驅動演示裝置

1)實驗器材:鋁質水桶、強磁體、三腳架、PVC 水管、鐵釘．

2)設計思路:強磁體不會吸引鋁質水桶,但強磁體靠近鋁質水桶并繞其運動時會使鋁桶內產生感應電流,從而使鋁桶受到安培力作用．將鋁桶開口向下倒置在支架上,可在安培力作用下轉動起來．

3)制作方法:將PVC水管固定在三腳架上,三腳架可用物理實驗室的光具座代替,將光具座上端插入PVC水管即可．PVC水管上端固定一顆鐵釘,可先將鐵釘固定在橡皮塞上,然后將橡皮塞插入PVC 水管上端．將水桶開口向下倒置在支架上．為避免實驗時水桶晃動太劇烈,可在水桶口固定一塊木板,木板中間開一個直徑略大于PVC水管的圓孔．PVC水管長1m左右,用家里裝修用的水管即可．強磁體上固定一個手柄,便于實驗操作．

4)操作方法:手握強磁體的手柄繞鋁質水桶轉動即可帶動鋁質水桶轉動起來,操作時磁體要靠近水桶,注意不要碰到水桶,磁體轉動速度不用太快,緩慢轉動效果就很明顯．

3 易拉罐感應電動機演示裝置

1)實驗器材:電磁爐、鐵塊、鋁質易拉罐、回形針、吸管、銅片、線槽板．

2)設計思路:手握磁體帶動鋁桶轉動雖然可說明電磁驅動現象,但實用性不強,操作也不太方便．感應電動機的原理也是電磁驅動,通過三相交流電產生旋轉磁場,驅動感應電動機轉子轉動．感應電動機是電磁驅動現象的具體應用,若能通過演示實驗觀察感應電動機的工作,對提高學生學習積極性、激發學生學習興趣將有很大幫助．電磁爐可產生變化的磁場,可用來模擬三相交流電產生的旋轉磁場,鋁質易拉罐比較輕便,可用于制作感應電動機轉子．

3)制作方法:取一根吸管(長度跟易拉罐高度相近),吸管的兩頭分別插入拉直的回形針,作為易拉罐轉子的轉軸并用熱熔膠填充吸管以固定回形針．用電鉆在易拉罐底部中間鉆個小孔,將制作好的轉軸穿過小孔插入易拉罐,在易拉罐兩頭用熱熔膠將轉軸固定．取一塊線槽板的蓋子,在線槽板上用螺絲固定兩個銅片作為易拉罐轉子的支架,銅片上用電鉆打一個小孔以安裝易拉罐轉子(注意兩個銅片上的孔要對稱)．易拉罐轉子的支架不要太高,不影響易拉罐轉動即可．

4)操作方法:電磁爐連接電源并放上鐵塊(電磁爐一般都有防空燒保護,放鐵塊的作用是讓電磁爐工作,還要注意鐵塊溫度過高時電磁爐也會停止工作,這時可將鐵塊放入水中降溫)．電磁爐開始工作后將易拉罐轉子靠近電磁爐放置,很快易拉罐轉子便會轉動起來．

以上幾個實驗的設計巧妙,制作和操作方法簡便,實驗裝置取材方便,實驗效果較為明顯．通過自制實驗教具演示相關實驗,能更好地激發學生的學習熱情,有助于培養學生的科學探究能力．