磁生電——帶你走進五彩繽紛的世界

尤仁才

摘 要：實驗探究能力是物理學核心素養的關鍵成分，本文從簡單的實驗開始，引導學生改進實驗，分析原因，逐步解決問題，終創作出彩燈和改進彩燈。通過探究實驗，學生體會到物理學的魅力，感受到發明創作的不易卻有趣，同時也有助于理解發電機的原理。

關鍵詞：實驗;磁鐵;線圈

學生通過物理學習，內化具有物理學科特有的品質是物理學科核心素養的關鍵成分[1]。通過高中的學習，學生應該具有發現問題，設計實驗，探究實驗，分析實驗現象，解決實驗問題的能力。在學生學習了電勢感應定律之后，為了向學生展示如何利用所學的知識來創造“奇跡”（磁生電），制造發電機。為此，本文結合教材內容和學生的水平，制作了以下的實驗，以培養學生的物理核心素養，同時也可以為后續學生學習發電機原理做鋪墊。

一、拋出問題

展示如圖1實驗裝置，其中電表采用量程為3V的電壓表，而不采用G表，目的是緩慢插入或拔出條形磁條螺線管，讓指針微小擺動。拋出問題：如何讓指針擺動幅度大點，即產生較大電流？學生一般都會提出：加快條形磁鐵的速度，加強磁鐵的磁性。如圖2：在條形磁鐵一端加在2個圓形強磁鐵，再次迅速插入或拔出螺線管，電壓表的指針明顯擺動，最大電壓可達到約為1V。此時提出問題：產生的電能否讓LED燈亮起來？

二、點亮LED燈

展示實驗裝置如圖3，實驗采用的LED燈的額定電壓為3V。先用圖2的磁鐵迅速插入或拔出螺線管，結果LED燈發出微弱的光。如何改進實驗，才能使LED燈的亮度更亮？

先實行方案一：線圈匝數n，橫截面積S不變，根據公式，可知為了產生更大的電動勢，則需要增大磁通量變化△BS或減小磁通量變化的時間。

實驗步驟：（1）先增大磁通量變化△BS：增加強磁鐵的個數，再迅速把磁鐵插入或拔出螺線管。經過多次實驗，發現采用6個圓形強磁鐵，效果最好且便于操作，結果LED燈變亮。

（二）接著減小磁通量變化的時間：采用如圖4裝置，在螺線管中插入一空心透明塑料管，其直徑約為2.5cm，長度約為0.5m，磁鐵從塑料管上端靜止釋放，則可以增大磁鐵穿過螺線管的速度，減小磁通量變化時間。螺線管下方墊一海綿，以保護下落的磁鐵。

實驗結果：磁鐵從塑料管下落穿過螺線管時，LED燈會發出較亮的光，但未達到在額定電壓工作下的亮度。

為了進一步增加LED的亮度，根據實驗室條件，把塑料管的長度換成1.5m，直徑不變如。結果發現，LED的亮度幾乎沒什么變化。分析原因：根據自由落體運動規律，物體運動時間，可計算出磁鐵從0.5m和1.5m的塑料管中自由下落的時間差約為0.2s，再加上阻力的影響，兩管磁通量變化的時間差很小，所以對感應電動勢影響不大。為了繼續讓LED燈更亮，提出方案二。

方案二：在磁場強度B不變情況下，改變線圈的匝數n和面積

根據磁通量變化公式，磁場穿過線圈的有效面積越大，磁通量變化越大。線圈的面積該為多大？為此，先用磁感應強度傳感器測量實驗所用磁鐵周圍的磁感應強度，如圖5，磁鐵最大磁感應強度為23.43mT，在距磁鐵中心約2.5cm處其的磁性衰減為2.88mT。用上文中同一型號螺線管的漆包線繞著直徑約為2.5cm的空心塑料管做一線圈，實驗裝置如圖6，線圈兩端與LED燈相連接。線圈的總長度與螺線管的繞線長度一樣，橫截面積約為原螺線管的，則新繞制的線圈匝數約為原螺線管的2倍，匝數約為700匝，穿過線圈的磁場面積S可認為與穿過螺線管一致，則根據公式，可知感應電動勢應將近為原來2倍。

把磁鐵同樣從長為0.5m塑料管一端靜止釋放，發現LED燈亮度明顯變大，幾乎與額定電壓工作下的一樣。

三、制作彩燈[2]

自制的儀器如圖7：按圖7的方法在塑料管不同位置繞制線圈，每個線圈與不同顏色的LED燈相連接，并用透明膠布把線圈包起來，以防止線圈中漆包線受到破壞，塑料管兩端塞些海綿，以保護磁鐵，將磁鐵置于塑料管子，擰緊蓋子?？伤交蛏舷禄蝿铀芰瞎?，磁鐵在線圈中穿梭，LED燈各自發出不同顏色的光。搖晃塑料管的速度越快，LED燈的亮度越亮，這個實驗給學生帶來極大的震撼。

由于磁鐵在運動過程中會經常裂開，則對上面自制儀器做些改進：把磁鐵固定在兩根木棍中間，接有不同顏色LED燈的線圈用膠布黏在一起形成線圈組，套在木棍上，如圖8。線圈組可在木棍上移動，穿過磁鐵，發出五顏六色的光。

在線圈靠近磁鐵運動的過程中，發現有些線圈的LED不亮，改變線圈的方向，LED燈又亮，繼而又可引導學生思考。實驗中采用的LED燈具有單向性，為了讓運動線圈上的LED燈隨機都能亮，可在線圈上并聯正負極相反的LED燈，同時也使得彩燈更加靚麗多彩。

以上實驗都是采用線圈或磁鐵做直線運動，那么能否用不同的運動方式來產生電？如圖9，把接有LED燈的線圈套在一塑料圈上，一輕質鋁管（或木棍）穿過塑料圈，且固定在塑料圈上。把該裝置置于馬蹄形磁鐵中，如圖10。轉動鋁管，則可帶動線圈繞鋁管旋轉，LED發出亮光。同樣，若想要看到更多顏色的光，可在線圈在并聯不同顏色的LED燈，或在鋁管上套上更多的線圈。

最后可向學生說明，以上兩種彩燈實際上就是發電機的兩種類型：磁鐵為定子和線圈為定子。發電機的原理實際上就是：磁生電，變化的磁場產生電。

結束語

通過簡單的實驗一步步引導學生思考問題，設計實驗，解決問題，分析原因，創作彩燈，改進彩燈，可讓學生體會發電機的整個發明過程，了解科學創新的方法和思維，并能從中體會到實驗的魅力和所帶來的震撼，享受智慧的結晶。也可讓學生體會到看似復雜的東西，其實背后的原理很簡單：磁生電，這就是物理學的美。

參考文獻

[1]黃利軍.淺談基于物理學科核心素養培養的物理實驗教學——以“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”教學為例[J].物理教學，2019（10）：39-41.

[2]袁錦成，潘蓉.感應電流產生器的制作與使用[J].物理教師，2019（2）：68-69.