利用簡單材料 詮釋科學魅力

摘 要：楞次定律是高中物理教學中的傳統重難點內容，要突破該教學難點，并激發學生內在的求知欲，做好楞次定律演示實驗是最有效的手段之一.實驗室現有的旋轉式J2424型楞次定律演示器，因結構設計有缺陷，致使實驗演示現象不明顯或不成功.利用低成本材料改進自制的楞次定律演示器，演示現象明顯.

關鍵詞：低成本;改進自制;楞次定律;演示器

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0044-02

基金項目：甘肅省教育科學“十三五”規劃2020年度一般自籌課題“跨學科融合開展中學物理實驗教學實踐研究”（項目編號：GS[2020]GHB2517）.

作者簡介：劉榮華（1969-），男，甘肅武都人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

實驗室的J2424型楞次定律演示器（如圖1），由鋁梁、鋁環（開口環和閉合環各一只）、帶針的支柱及底座組成.鋁梁及鋁環采用15mm×1mm的鋁板制作，鋁梁長度約140mm，鋁環的直徑約55mm.底座底面為圓形，直經為67mm，支柱及底座總高度約100mm.實驗過程中發現該儀器存在以下不足：一是鋁梁及鋁環組成的旋轉部分整體質量較大，所以慣性大，運動狀態難以改變;二是鋁梁的旋轉力臂較短，使實驗中感應電流所受安培力的轉動力矩較小，教師不便于操作，學生（尤其是后排學生）也看不清楚.以上不足導致實驗過程中，若使用普通條形磁鐵，反復靠近或遠離閉合鋁環時，鋁環轉動不明顯;若普通條形磁鐵反復靠近或遠離開口鋁環時，鋁環未發生轉動;但換用強磁鐵做實驗，靠近或遠離閉合鋁環時，閉合鋁環出現預期效果轉動現象明顯，但用強磁鐵靠近或遠離開口鋁環時，若仔細觀察，會發現開口環也發生輕微的轉動[1].針對以上缺點，為保證分別在弱磁鐵和強磁鐵作用下都可以使楞次定律演示成功，利用低成本材料改進楞次定律演示器，以期利用簡單材料，詮釋科學魅力.

1 改進所需材料

（1）容積500mL、直徑65mm、高170mm的鋁質空易拉罐1個（如飲料易拉罐）.

（2）長23cm、直徑6mm的紅色豆漿吸管1根.

（3）用完油墨的直徑約4mm、長約130mm的中性筆芯1支（含帽塞）.

（4）厚度4mm的薄木板1小塊.

（5）縫衣針（或大頭針）1枚.

（6）圓形強磁鐵，直徑40mm，厚10mm1個.

（7）直徑約30mm，長約20cm的木棒一段.

2 改進與創新過程

2.1 閉合圓環和開口圓環的制作

用剪刀將鋁質易拉罐剪成寬度不足1cm的金屬鋁圓環2只，并將其中的一只金屬鋁圓環剪開約5mm的開口，開口處再用透明膠帶補填粘貼后，就制成了一只開口金屬鋁圓環.

2.2 橫梁的制作與圓環的連接

在長23cm豆漿吸管的中點處用注射器針頭切割一小孔（沒有刺穿），將兩個鋁環分別用萬能膠固定在吸管兩端，使金屬鋁環圓面與吸管共面，小孔和鋁環在吸管同側.

2.3 底座和帶針支柱的制作

將薄木板切割成直徑為85mm的圓，圓心處鉆一直徑為4mm的小孔，作為底座，將中性筆筆尖減掉一部分，內有小孔露出即可，縫衣針穿透帽塞后，針尾插入中性筆筆尖小孔內，再將帽塞套上筆頭后，可將縫衣針與筆尖固定在一起，使針尖露出6mm左右.筆芯尾部垂直插入圓形木板的圓心處作為底座上的支柱.把中間戳有小孔的豆漿吸管放在支柱的針尖上，吸管能在水平面內自由轉動.改進自制的楞次定律演示器如圖2所示.

2.4 帶柄強磁鐵的制作

將強磁鐵的一端與木棒的一端用萬能膠粘貼固定在一起，如圖3所示.

3 實驗演示方法

如圖4所示，手持強磁鐵的手柄，讓圓形強磁鐵緩慢地靠近或遠離自制楞次定律演示器的閉合鋁環時，可觀察到閉合鋁環也遠離或靠近圓形強磁鐵，顯示了楞次定律中的“阻礙”相對運動現象.實驗無需將強磁鐵從閉合鋁環中快速插入或抽出.若讓圓形強磁鐵緩慢或快速地靠近或遠離自制楞次定律演示器的開口鋁環時，則觀察到開口鋁環均保持靜止不動.

4 自制實驗裝置亮點

（1）用鋁質易拉罐剪成的金屬鋁圓環質量輕，圓環面積大;橫梁采用長23cm紅色豆漿吸管制作，使整個旋轉部分質量輕、力臂長、便于操作且實驗現象明顯、可視空間大.

（2）實驗裝置取材容易，制作簡單，提高了實驗的成功率.在指導學生實驗改進和創新的過程中有助于提高學生的物理學科素養.

（3）演示時無需將強磁鐵從閉合鋁環中快速插入或抽出，只需圓形強磁鐵較緩慢地靠近或遠離自制楞次定律演示器的閉合鋁環時，即可觀察到閉合鋁環也將明顯遠離或靠近圓形強磁鐵，實驗現象重復性好，這樣延長了學生的觀察時間，使所有學生都能夠清楚地觀察到實驗現象.

5 組織學生參與自制，并開展演示比賽

教學實踐表明，課后以學習小組為單位、指導學生進行自制，學生參與的積極性和興趣都較高.用一個鋁質易拉罐可剪出多個寬度不等的金屬鋁圓環，橫梁可用不同長度的豆漿吸管代替，帶柄強磁鐵各學習小組可以共用，最后將各學習小組改進的楞次定律演示器進行演示比賽評比，最后總結出靈敏度高的楞次定律演示器具備的共同特征：鋁環寬度應適當，約1cm，太窄時閉合鋁環的內阻較大，演示時產生的感應電流太小，閉合鋁環轉動不明顯;若閉合鋁環寬度過大，質量增大，演示時因慣性大，轉動不夠明顯，同時用強磁鐵靠近或遠離開口鋁環時，因產生的渦流使開口鋁環也出現微小轉動[2].用豆漿吸管做的橫梁長度大的比短的轉動效果更明顯，因橫梁長的力臂長，感應電流所受的安培力產生的力矩大，使閉合鋁環轉動明顯，同時因轉動半徑增大，使鋁環的線速度也增大，演示現象明顯.

通過學生自制教具比賽活動，除培養了學生的動手能力和合作探究能力之外，更重要的是加深理解了楞次定律、產生感應電流的條件、閉合電路的歐姆定律、慣性、力臂、力矩等知識.

最后，將演示現象較明顯的楞次定律演示器注明制作學生、指導老師和時間后，保存在物理實驗室以備今后的教學中再次演示使用和探究，這樣做使學生獲得了一種成就感和自豪感，并將有利于今后組織學生開展教具的自制與改進.體現了一種“做中學、學中思、思中悟、悟中創”的STEAM教育理念在物理教學中的應用.

參考文獻：

[1]李廣強.由楞次定律演示實驗引發的思考[J].中學物理教學參考，2010（32）：76.

[2]劉延賢，王存茂.楞次定律演示器中的橫桿為什么會發生輕微轉動[J].物理通報，1997（03）：37.

（收稿日期：2020-12-16）