可視化安培定則演示儀的設(shè)計(jì)與制作

摘 要：本文針對初中物理“電流的磁場”這節(jié)教學(xué)中遇到判斷通電螺線管極性時(shí)，電流方向和螺線管極性不可視的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)問題，通過運(yùn)用電子技術(shù)知識，自制“可視化安培定則演示儀”，具有可視性好、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高了物理課堂教學(xué)效率.

關(guān)鍵詞：通電螺線管極性;安培定則;發(fā)光二極管;七段數(shù)碼顯示管

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）04-0034-02

作者簡介：邵忠芳（1982-），男，江蘇丹陽人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)與研究工作.

1 研究背景

1.1 安培定則的內(nèi)容和作用

“安培定則”（又稱“右手螺旋定則”）是蘇科版物理教材九年級下第十六章第2節(jié)“電流的磁場”中的重要內(nèi)容.安培定則的內(nèi)容是：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向與螺線管中的電流方向一致，則大拇指所指的那端就是通電螺線管的N極，這種判斷方法稱為安培定則（如圖1所示）.

1.2 安培定則的作用

安培定則揭示了通電螺線管兩端的磁極極性（N極或S極）和電流流向之間應(yīng)滿足的某種固定關(guān)系，使用它可以方便地根據(jù)電流方向來判斷通電螺線管磁極的極性，或者根據(jù)通電螺線管的極性推斷出電流流向，找到通電螺線管磁極的極性與電流方向之間的關(guān)系，為進(jìn)一步研究通電螺線管周圍的磁場分布和磁場方向奠定了基礎(chǔ).

2 問題的提出

安培定則雖然告訴了我們通電螺線管的磁極和電流流向之間滿足的固定關(guān)系.但是，目前課本上只是用平面的圖片來展示判斷通電螺線管磁極的方法，具有如下問題.

2.1 課本實(shí)驗(yàn)圖片方法介紹或動(dòng)畫演示的不足

課本上的安培定則圖片介紹是平面的，螺線管中的電流方向是根據(jù)電流從電源正極流出，沿著螺旋式的螺線管上的線圈流動(dòng)，最后回到電源負(fù)極而推斷出來的，不具有可視性和立體性，電流的流向是運(yùn)用講授法傳授給學(xué)生的;用動(dòng)畫演示安培定則，電流的方向是靠虛擬的動(dòng)畫制作完成的，有一種虛擬的感覺，缺乏真實(shí)性.

2.2 缺乏直觀可視化的教學(xué)弊端

在教學(xué)中，因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)室還沒有專門的“安培定則演示儀”.教師幾乎都是通過灌輸?shù)姆绞綄才喽▌t介紹給學(xué)生，具有機(jī)械性，不利于學(xué)生對物理規(guī)律的建構(gòu)，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維和探究能力的培養(yǎng).

2.3 基于問題的兩個(gè)思考

如果能設(shè)計(jì)出一個(gè)可以直觀方便地觀察到通電螺線管中電流流向和顯示螺線管兩端極性的“安培定則演示儀”，教師就可以在課堂中演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)，能夠減輕學(xué)生學(xué)習(xí)安培定則時(shí)的困惑，更方便地完成該定則在學(xué)生腦海中的建構(gòu)，并在心中留下深刻的印象.

本人通過多年的物理一線教學(xué)經(jīng)歷，精心研制出一種原理相對簡單、可視性好、值得在物理教學(xué)過程中推廣的“可視化安培定則演示儀”，供大家一起探討，以便進(jìn)一步改進(jìn)，更多地服務(wù)于物理教學(xué).

3 研究過程

3.1 材料使用

直徑為10cm、長度為60cm的白色塑料PPR管子一根;面積為1.5mm2、長約2.5m的漆包線一根;2m長的銅芯軟導(dǎo)線一根;普通二極管四只;發(fā)光二極管六只（三只紅色、三只綠色）;七段數(shù)碼顯示管四只（含控制數(shù)碼管的集成電路模塊）;單刀雙擲開關(guān)兩只;12V電源一個(gè);電流表一只;10Ω定值電阻一只;0-20Ω滑動(dòng)變阻器一只;50cm長的兩頭帶螺紋的不銹鋼鋼筋兩根（含配套螺母、墊片各四只）;透明塑料玻璃;膠水.

3.2 可視化安培定則演示儀的原理介紹

“可視化安培定則演示儀”的組成如圖2所示，七段數(shù)碼管能起到固定顯示“N”或“S”的作用，通以符合方向要求的電流后從左向右四個(gè)數(shù)碼顯示管（標(biāo)號分別為1、2、3、4）依次顯示“N”“S”“S”“N”，第1號和第3號數(shù)碼顯示管所在電路上的二極管按照導(dǎo)通方向朝上的方向安裝，因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦裕?dāng)通以向上的電流時(shí)，這兩只數(shù)碼顯示管中就有電流通過，分別顯示“N”和“S”，即：通電螺線管的左端顯示為N極，右端顯示為S極.第2號和第4號數(shù)碼顯示管所在的電路二極管導(dǎo)通方向安裝朝下，表示通以向下的電流時(shí)，這兩只數(shù)碼管就有電流通過，分別顯示“S”和“N”，即：通電螺線管的左端顯示為S極，右端顯示為N極.

為了很清晰地顯示線圈中的電流方向，把每一股線圈又分成了兩條小的支電路，支路上分別接上一個(gè)方向相反的發(fā)光二極管，每股線圈上左邊分電路上的發(fā)光二極管為紅色，導(dǎo)通方向?yàn)橄蛏希抗删€圈上右邊分電路上的發(fā)光二極管為綠色，導(dǎo)通方向?yàn)橄蛳?當(dāng)通以自左向右的電流時(shí)，每股線圈上左邊支路上的紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)出紅光，紅色的箭頭指向上方，表示我們所看到的螺線管線圈中靠近我們這一側(cè)的電流方向向上;當(dāng)通以自右向左的電流時(shí)，每股線圈上右邊支路上的綠色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)出綠光，綠色的箭頭指向下方，表示我們所看到的螺線管線圈中靠近我們這一側(cè)的電流方向向下.

電流方向的切換：采用兩個(gè)單刀雙擲的開關(guān)（如圖2所示），當(dāng)S1接1，S2接4時(shí)，電流方向?yàn)閺碾娫凑龢O流出后在電路中沿順時(shí)針方向流動(dòng);當(dāng)S1接3，S2接2時(shí)，電流方向?yàn)閺碾娫凑龢O流出后在電路中沿逆時(shí)針方向流動(dòng)，從而方便地改變線圈中的電流方向，不需要重新接線便可以順利完成兩次實(shí)驗(yàn)探究.

3.3 使用方法

當(dāng)S1接1，S2接4時(shí)，電流為從電源正極流出后在電路中沿順時(shí)針方向流動(dòng);流進(jìn)線圈時(shí)，因?yàn)槊抗删€圈左側(cè)支路上的紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通方向?yàn)橄蛏希娏髂軌蛄鬟^這個(gè)二極管，這個(gè)紅色發(fā)光二極管能夠發(fā)光，紅色發(fā)光箭頭方向?yàn)橄蛏希瑥亩逦仫@示出線圈中該支路電流方向是向上的;每股線圈上右側(cè)支路上的綠色發(fā)光二極管導(dǎo)通方向?yàn)橄蛳拢韵蛏狭鲃?dòng)的電流無法通過，該綠色發(fā)光二極管不發(fā)光.因此，我們能夠看到螺線管中每股線圈左邊的紅色發(fā)光二極管發(fā)光，紅色發(fā)光箭頭指向上方，表示螺線管中我們所能看到的電流方向向上;第1號和第3號兩個(gè)數(shù)碼顯示管有電流流過，能夠發(fā)光，分別顯示“N”和“S”，符合安培定則.

當(dāng)S1接3，S2接2時(shí)，電流為從電源正極流出后在電路中沿逆時(shí)針方向流動(dòng);流進(jìn)線圈時(shí)，因?yàn)槊抗删€圈右側(cè)的綠色發(fā)光二極管導(dǎo)通方向?yàn)橄蛳拢娏髂軌蛄鬟^綠色二極管，綠色發(fā)光箭頭方向?yàn)橄蛳拢瑥亩逦仫@示出線圈中該支路電流是向下流動(dòng)的;每股線圈上左側(cè)的發(fā)光二極管導(dǎo)通方向?yàn)橄蛏希韵蛳铝鲃?dòng)的電流流不過，該紅色二極管不發(fā)光.因此，我們能夠看到螺線管中每股線圈右邊支路的綠色發(fā)光二極管發(fā)光，綠色發(fā)光箭頭指向下方，表示螺線管中我們所能看到的電流方向向下;第2、4號兩個(gè)數(shù)碼顯示管有電流流過，能夠發(fā)光，分別顯示“S”和“N”，符合安培定則.

4 安培定則演示儀的優(yōu)點(diǎn)

4.1 可以直觀形象地顯示線圈中電流的方向

將發(fā)光二極管的外形制作成三角箭頭的形狀，用紅綠兩種不同顏色的發(fā)光二極管能直觀方便地顯示線圈中的電流方向，避免了原來通電螺線管線圈中的電流方向看不見，只能憑教師口頭表述電流方向的弊端.

4.2 通電螺線管磁極的極性能夠直觀地顯示

將二極管與七段數(shù)碼顯示管串聯(lián)，利用通電二極管的正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟墓δ埽屚ㄟ^數(shù)碼顯示管的電流方向具有選擇性，運(yùn)用七段數(shù)碼顯示管能直觀地顯示通電螺線管的N極和S極，通以正向電流時(shí)，螺線管中電流方向向上，螺線管左邊的數(shù)碼顯示管N發(fā)光，右邊的數(shù)碼顯示管S發(fā)光;通以反向電流時(shí)，右邊的數(shù)碼顯示管N發(fā)光，左邊的數(shù)碼顯示管S發(fā)光，螺線管中電流方向向下，符合安培定則.

4.3 螺線管中電流的方向可以方便地改變

采用兩個(gè)單刀雙擲的開關(guān)，來方便地實(shí)現(xiàn)改變電源的正負(fù)極接線，從而改變通入螺線管中電流的方向，探究通電螺線管的極性是否與電流的方向有關(guān)，而不需要重新接線，從而方便順利地完成第二次實(shí)驗(yàn)，節(jié)省了課堂時(shí)間，提高了教學(xué)效率.

4.4 器材固定在支架上，攜帶方便

將安裝好的螺線管裝置通過兩端有螺紋的兩根鋼筋固定安裝在支架上，使整個(gè)儀器固定在支架上，且便于攜帶;演示儀體積相對較大，作為演示實(shí)驗(yàn)可視性好，能夠滿足演示實(shí)驗(yàn)各操作細(xì)節(jié)的要求，學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗(yàn)可視性的實(shí)驗(yàn)效果大大增強(qiáng).

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2020-10-10）