多功能電渦流演示儀

劉 通，王澤源，于 琪

(1.天津師范大學 物理與材料科學學院，天津 300387;2.天津市實驗中學，天津 300074)

1 高中渦流實驗教學中的不足

高中物理教材在“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”中，分析了感生電動勢，對其形成的原因進行了初步探討后，介紹了渦流及其成因、渦流的熱效應和機械效應[1]. 在機械效應方面，設置了簡易的電磁阻尼擺實驗和三相電流的電磁驅動實驗，由于在教學過程中缺少配套、有效的演示實驗裝置，導致學生對該部分內容的直觀認知有所缺失[2]. 傳統教學方式與新課改中注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需要的教學理念[3]及教學目標相沖，在一定程度上不利于學生核心素養的進一步發展. 為解決以上問題，本文應用渦流的產生機制和機械效應原理，制作了集懸浮、制動、驅動、發電于一體的多功能電渦流演示儀. 此實驗儀可以讓學生直觀地觀察到渦流現象，幫助學生理解渦流的物理圖象. 除教師的講解外，學生還可以通過原理進一步定性地分析渦流的技術應用.

2 多功能電渦流演示儀的原理

2.1 設計思路

有關電磁阻尼和電磁驅動演示實驗創新與改進的文獻有很多，例如文獻[4]介紹了4種實驗教具的相關制作和應用，文獻[5-6]介紹了釹磁鐵沿金屬板下滑的創新型實驗. 這些演示實驗具備以下優點：

1)演示實驗的現象明顯，能夠引發學生探索的興趣和思考.

2)制作和操作方法簡便,實驗裝置取材方便.

3)在教具設計理念方面，部分實驗想法新穎，構思巧妙. 另外，還有部分實驗將教材中涉及的實驗進行了改進.

4)在教具設計原理方面，部分原理在演示實驗后再向學生進行解釋，學生會更容易理解.

通過以上總結，可以看出目前電磁阻尼和電磁驅動演示實驗優點突出，但不足也較為明顯. 主要表現在以下方面：

1)時代性：演示實驗與實際生產生活有一定程度的脫離.

2)推廣性：演示實驗儀器無法批量生產.

3)創新性：目前的實驗改進主要集中于磁鐵在塑料管和鋁管當中的運動，蹄形磁鐵貼近鋁盤的制動以及釹磁鐵沿金屬板構成的斜面下滑這3個實驗，因此在設計方面存在一定程度的重復.

4)發展性：上述演示實驗不利于進一步拓展和提高學生對原理的深層次理解.

基于以上原因，設計了多功能電渦流演示儀，其設計理念為：在目前相關研究成果優點的基礎上，聯系課標要求與物理演示實驗的特點，分別從時代性、推廣性、創新性和發展性4個方面進行思考，綜合解決以往演示實驗出現的問題. 將該演示儀應用于課堂教學中的各個環節，幫助一線教育工作者構建層次清晰、邏輯緊密的課程.

2.2 演示儀實驗原理

在電磁設備中常常存在大塊金屬，當這些金屬塊處在變化的磁場中或相對磁場運動時，其內部會產生感應電流，此時可以將金屬看做是由一系列半徑逐漸變化的圓柱狀薄殼組成，每層薄殼自成閉合回路，從而在每層薄殼中產生的電流流線呈閉合渦旋狀，如圖1所示. 將這種金屬導體中的感應電流叫做渦電流，渦電流產生的機械效應在工程技術中有著非常廣泛的應用.

圖1 導體中的渦流示意圖

磁懸浮、電渦流非接觸制動、電渦流非接觸傳動和電渦流發電這4種現象的原理均為電磁阻尼與電磁驅動，只是在內部結構的設置上有一定的差異. 將實驗原理圖簡化為如圖2所示的俯視圖，選取左側的鋁盤區域abcd(區域的大小和形狀可以任意假設)作為研究對象. 演示儀的4個懸臂上懸掛的都是磁鐵，磁鐵的極性不確定，為討論問題的方便，先假設演示儀中靠近鋁盤的磁鐵面均為N極，磁鐵在鋁盤上方，因此磁感線的方向為垂直紙面向里.

圖2 電磁阻尼演示

當鋁盤由左向右運動時，穿過鋁盤的磁通量逐漸增加，根據楞次定律，abcd中將會產生感應電流，感應電流的方向為逆時針，產生的安培力會阻礙鋁盤進入到磁場區域中，磁鐵和鋁盤之間的受力情況如圖3所示. 具體表現為： a. 鋁盤受到向下的斥力F1和與鋁盤運動方向相反的切向力F2，如圖3(a)所示；b. 磁鐵受到向上的斥力F1′和與鋁盤運動方向相同的切向力F2′，如圖3(b)所示.

(a) 鋁盤受力情況 (b) 磁鐵受力情況圖3 受力情況

下面分別介紹磁懸浮、電渦流非接觸制動、電渦流非接觸傳動和電渦流發電這4種現象的實驗原理.

2.2.1 磁懸浮

采用磁性較弱的磁鐵(對鋁盤運動的影響較小)，使其在豎直方向上能夠自由活動，水平方向上被固定，如圖4所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消，達到穩定后實現懸浮.

圖4 磁懸浮懸臂

2.2.2 電渦流非接觸制動

采用磁性較強的磁鐵(對鋁盤運動的影響較大)，使其被完全固定，即磁鐵既不能在豎直方向上運動也不能在水平方向上自由轉動，如圖5所示. 鋁盤將受到豎直向下的力和與鋁盤轉速方向相反的斥力，產生的感應電流與磁極發生相互作用，阻礙鋁盤的運動. 磁鐵和鋁盤之間的距離越近，阻礙效果越明顯；距離過近時，鋁盤幾乎不再轉動.

圖5 電渦流非接觸制動懸臂

2.2.3 電渦流非接觸傳動

采用磁性較弱的磁鐵(對鋁盤運動的影響較小)，在兩端磁鐵中間銜接可以轉動的轉軸，這時磁鐵在豎直方向和水平方向上均能夠自由移動，如圖6所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消，除此之外，磁鐵還受到與鋁盤轉速方向相同的力，從而導致懸臂上兩端磁鐵發生轉動. 磁鐵與鋁盤之間的距離越近，轉速越快.

圖6 電渦流非接觸傳動懸臂

2.2.4 電渦流發電

采用磁性較弱的環狀磁鐵(對鋁盤運動的影響較小)，在環狀磁鐵中間固定轉軸，轉軸上連有簡易的發電機，如圖7所示. 環狀磁鐵將受到與鋁盤轉速方向相同的力，導致轉軸高速轉動，從而帶動內部的發電機發電，使得發光二極管發出明亮的白光.

圖7 電渦流非接觸傳動懸臂

3 多功能電渦流演示儀的使用

3.1 演示儀結構

實驗裝置如圖8所示，箱體上方左右分別為操縱桿和鋁盤，箱體內部有令鋁盤高速轉動的電機，操縱桿上有4個懸臂，左側2個懸臂依次可演示發電和制動現象，右側2個懸臂依次可演示傳動和懸浮現象. 根據演示要求的不同，懸臂上懸掛4塊形狀、磁性不同的磁鐵，用來產生磁場. 操縱桿的最上方為把手，轉動把手可以使旋轉桿轉動，從而可分別調節4個懸臂轉動至鋁盤的正上方. 把手與下端固定桿之間連有彈簧，通過施加力改變彈簧的形變實現懸臂的升降. 演示儀的4個懸臂對應4個獨立的實驗現象，其設計的關鍵在于懸臂和高速轉動的鋁盤. 掌握該演示儀的設計思路，結合以上實驗原理，即可發掘身邊的器材自制與該演示儀相同的教學演示儀器.

圖8 多功能電渦流演示儀

3.2 實驗步驟及現象

3.2.1 電渦流磁懸浮

1)按動操縱桿，使磁鐵緩慢靠近鋁盤；

2)開動電機使鋁盤旋轉，隨著鋁盤轉速增加，磁鐵逐漸懸浮；

3)磁鐵懸浮到一定高度時，將保持在該高度不變.

3.2.2 非接觸電渦流隔離傳動

1)開動電機使鋁盤旋轉；

2)按動操縱桿，使磁鐵緩慢下降；

3)將旋轉桿轉到鋁盤上方，隨著旋轉桿接近鋁盤，觀察到旋轉桿也旋轉起來.

3.2.3 非接觸電渦流制動

1)開動電機使鋁盤旋轉；

2)按動操縱桿將磁鐵轉到鋁盤上方，且使磁鐵逐漸靠近鋁盤，觀察到鋁盤的轉速逐漸減小.

3.2.4 非接觸電渦流發電

1)開動電機使鋁盤旋轉；

2)按動操縱桿將電渦流微型發電機轉到鋁盤上方，并使其逐漸靠近鋁盤，觀察到微型發電機迅速轉動，并立刻發電，使得發光二極管發出白光.

在實驗過程中，由于鋁盤轉速較高，懸臂上的各裝置不能緊貼鋁盤，以防裝置發生摩擦而損壞.

4 多功能電渦流演示儀的設計特點

在課堂教學中，采用多功能演示儀演示與電渦流相關的各種實驗現象時，能夠產生如下效果：

1)實驗現象明顯直觀，輔助物理課堂教學，激發學生學習物理的興趣. 演示儀涉及的4個實驗是學生在日常生活中不常遇到的，但在日常生活中又有一定的應用，因此通過教師引導學生觀察實驗現象，可以使學生在學習相關知識前先獲得一定的感性認知.

上述實驗現象能夠讓學生感到新奇、有趣，進而使學生在頭腦中形成關于渦流的物理表象，并意識到用已有的知識基礎不能夠解釋上述現象，產生認知沖突，為后面的渦流概念和應用的學習奠定了基礎.

2)結合了楞次定律、渦流和電磁阻尼的原理，幫助學生完善物理概念的建構. 渦流是學生構建電磁場理論的重要鋪墊，是完善電磁場理論較為重要的環節. 如果學生不能形成對物理概念和物理規律的完整認知，將可能誤認為物理概念和物理規律是零散的、毫無邏輯的知識點.

課堂教學中，教師可以結合多功能電渦流演示儀講解渦流及其成因、電磁阻尼和電磁驅動等內容，幫助學生進一步加深對渦流概念的理解，并用渦流和電磁感應的原理正確解釋日常應用，從而達到物理概念提煉與升華的目的.

3)緊密聯系電渦流在現代工程技術中的應用，引導學生正確認識STSE(科學、技術、社會、環境)的關系，增強其掌握科學知識的責任感.

新課程改革后，高中物理課程在內容上更加注重與生產生活、現代社會及科技發展的聯系，在教學中展現當代科學技術發展的重要成果和科學思想尤為重要. 本演示儀的4個現象是現代生產生活應用中會涉及到的內容，教師可以以此為基礎，向學生介紹一些具體的應用案例，例如：磁懸浮列車、渦流制動器等，讓學生意識到科學研究和應用科學技術為生活帶來的便利，以及為國家的綜合國力提升帶來的重要價值，從而促進學生掌握科學知識，增強學生建設祖國、推進科技發展的責任感.

5 結束語

通過對高中渦流演示實驗進行改進，設計制作了多功能電渦流演示儀，以更好地幫助學生掌握渦流的相關知識，構建完整的電磁學理論體系. 同時，通過實驗演示可以激發學生的學習興趣，提高學生的觀察能力，完善學生物理概念的建構，為學生物理觀念的形成奠定了基礎，并增強了學生學習物理學科的動力，從而達到優化教學的效果.