自制DIS傳感器的多功能電磁感應教具

賈劍　俞根強

摘 要：利用DIS傳感器、自制螺線管、強磁鐵和有機玻璃管等器材，可實現探究感應電流的產生條件、楞次定律演示實驗、法拉第電磁感應定律實驗和電磁阻尼現象實驗.

關鍵詞：電磁感應;自制教具;實驗改進;DIS傳感器

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0059-03

作者簡介：賈劍（1987-），男，浙江湖州人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理課堂教學和深度學習;

俞根強（1980-），男，浙江湖州人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理自制教具.

1 問題提出

楞次定律和法拉第電磁感應定律是電磁學中的重要規律，也是學生學習電磁感應現象的重點和難點.教材關于兩者的教學均采用學生最熟悉的情境——在演示螺線管中磁鐵插入或拔出，缺乏創新性，無法充分調動學生學習的積極性.教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2017年版）》中強調：在教學設計和教學實施過程中要重視情境的創設[1].因此，一線教師應利用自制教具創設情境進行教學，有利于激發學生的求知欲[2]，有助于培養學生的科學探究精神[3].

2 實驗裝置

教具器材包括圖1中的有機玻璃管1根（長100cm，內徑25mm，外徑30mm）①，圓柱形強磁鐵3個（高3cm，直徑21mm）②，銅漆包線繞制的螺線管3個（匝數為1200匝）③，額定電壓為6V的LED貼片紅色、藍色各1根④，DIS電壓傳感器和數據采集器⑤以及導線若干⑥.

教具制作步驟：將有機玻璃管插入3個螺線管，并將3個螺線管按上、中、下3個位置放置.由于有機玻璃管的外徑和螺線管的內徑比較接近，可利用有機玻璃管外壁和螺線管內壁之間的摩擦力將3個螺線管固定在有機玻璃管上，并且非常容易更換螺線管.上、中、下螺線管距上管口的距離分別為10cm、40cm和90cm.將紅色LED燈貼片粘在有機玻璃上半段，與最上面的螺線管串聯.將藍色LED燈貼片粘在有機玻璃下半段，與最下面的螺線管相連.實驗裝置如圖2所示.

3 教具用途

3.1 引入探究感應電流產生條件的新課

如圖3所示，豎直放置有機玻璃管，將強磁鐵從上端自由釋放，在有機玻璃管中做自由落體運動依次經過3個螺線管，與最下端螺線管串聯的LED燈發出絢麗的光芒.因LED燈的額定電壓為6V，強磁鐵下落距離過短致使最上端螺線管中的電壓不足以讓與之串聯的LED燈發光，而最下端的螺線管則能提供足夠的電壓使與之相連的LED燈發光.將有機玻璃管倒過來，再次將強磁鐵自由釋放，同樣觀察到與最下端串聯的LED燈發光.通過創設真實情境，利用新穎的自制教具讓學生觀察到明顯的實驗現象，激發學生的求知欲，引導學生深度學習，為學生進一步探究感應電流產生的條件做好鋪墊.

3.2 完成楞次定律演示實驗

螺線管中電壓隨時間的變化情況如圖4所示.豎直放置有機玻璃管并將強磁鐵N極向下自由釋放.強磁鐵自由下落經過螺線管中部產生感應電流，利用電壓傳感器在電腦端記錄得到如圖5所示的圖像.根據U-t圖像中圖線所處象限得出強磁鐵N極靠近、S極遠離螺線管時DIS傳感器中電流流向，結合螺線管上標出漆包線的繞線方向得出螺線管中感應電流方向.再次將強磁鐵S極向下自由釋放，得出強磁鐵S極靠近、N極遠離螺線管時螺線管中感應電流方向.結合表1的實驗數據探究得到楞次定律.

3.3 探究法拉第電磁感應定律實驗

3.3.1 保持匝數n和磁通量變化量ΔΦ不變，定量探究E與Δt的關系

將分別放置在有機玻璃管上、中和下三處且相同規格的螺線管（匝數相同）與LED燈斷開后，如圖6所示，分3次將DIS電壓傳感器與3個螺線管串聯.豎直放置有機玻璃管，分3次將強磁鐵從上面自由釋放，得到如圖7所示的U-t圖像，并在相應區間內取感應電動勢峰值.由于穿過螺線管時強磁鐵下落高度之比為h1∶h2∶h3=1∶4∶9，根據自由落體運動規律v=2gh，可知經過螺線管時強磁鐵的瞬時速度之比為v1∶v2∶v3=1∶2∶3.在經過螺線管時位移相同，強磁鐵所需時間之比為t1∶t2∶t3=xv1∶xv2∶xv3=11∶12∶13.由圖可知，感應電動勢峰值之比E1∶E2∶E3=1∶2∶3.保持匝數n和磁通量變化量ΔΦ不變，在強磁鐵經過螺線管時產生的感應電動勢E與Δt成反比.

3.3.2 保持磁通量變化量ΔΦ和Δt不變，定量探究E與匝數n的關系

如圖8所示，取匝數分別為1200匝、1000匝和800匝的3個螺線管，分3次固定在有機玻璃管下端同一位置.讓同一強磁鐵在有機玻璃管上端同一高度自由下落，從DIS數據采集器的電腦端得到U-t圖像.由圖9可知，在保持磁通量變化量ΔΦ和Δt不變的前提下，感應電動勢E與螺線管匝數n成正比.

3.3.3 保持匝數n和Δt不變，探究E與磁通量變化量ΔΦ的關系

強磁鐵的疊加會引起產生的磁感應強度增加，但無法滿足正比關系，因此本實驗不能定量探究.如圖10所示將下端螺線管與LED燈斷開后，串聯DIS傳感器.讓一個磁鐵自由下落通過豎直放置的有機玻璃管的下端螺線管，得到U-t圖像.第2次、第3次分別將2個和3個強磁鐵以疊加的方式同樣自由下落經過下端螺線管，得到U-t圖像.強磁鐵疊加之后，強磁鐵產生的磁感應強度B會增大，穿過同一個螺線管時磁通量變化量ΔΦ會增大，即可完成保持匝數n和Δt不變，探究E與ΔΦ的關系.由圖11可知，磁通量變化量ΔΦ越大，同一螺線管產生的感應電動勢E越大.

3.4解釋電磁阻尼現象

如圖12所示，將固定于有機玻璃管下端的螺線管與DIS傳感器串聯，在上端管口靜止釋放強磁鐵，記錄得到U-t圖像.再用導線連接放置于有機玻璃管中部的螺線管接線柱，使其形成回路.再次，同一高度靜止釋放強磁鐵，強磁鐵依次通過中端、下端螺線管，利用數據采集器得到U-t圖像.通過圖13對比圖發現，第2次實驗時位于下端的螺線管中感應電動勢的峰值與第1次實驗時感應電動勢的峰值相比有所減小，經過多次對照實驗依舊如此.產生這個現象的原因為第2次實驗時強磁鐵經過位于中部的螺線管時，螺線管產生的感應電流致使強磁鐵受到阻礙其下落的磁場力，導致強磁鐵落到位于下端的螺線管時的速度比第1次實驗時經過下端螺線管的速度略小，即經過下端螺線管的Δt增大.在保持匝數n和磁通量變化量ΔΦ不變下，Δt增大，感應電動勢E減小.此實驗恰好解釋了電磁阻尼現象.

4 結束語

本教具的特點：一是設計巧妙，趣味性強，利用LED燈光容易吸引學生眼球，調動學生的學習積極性，為教學做好鋪墊;二是利用有機玻璃管可讓強磁鐵在較高高度做自由落體運動而不偏出螺線管內部，同時實現下落高度的定量實驗，使定量探究成為可能;三是教具實驗現象明顯，原理簡單，利用DIS傳感器讓數據記錄變得實時、準確和便捷;四是一物多用，可做不同的定性或定量實驗，發揮了教具的最大作用;五是教具制作取材方便，制作簡單，成本低廉，適合演示或分組實驗.本教具獲得湖州市物理教師自制教具一等獎.教具的不足之處是利用強磁鐵產生磁場，無法通過疊加磁鐵以此實現磁感應強度的正比例增加，也是下一步需要思考和改進之處.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]蘇縵，熊建文.自制楞次定律方向指示儀[J].物理通報，2017（11）：86-87+91.

[3]羅慧.定量探究“法拉第電磁感應定律”實驗的改進[J].物理教師，2018，39（10）：59-61.

（收稿日期：2021-01-22）