利用DIS實驗圖像 呈現“增反減同”規律

李瑞鵬

(寧夏回族自治區石嘴山市第三中學,寧夏 石嘴山 753000)

1 引言

楞次定律是高中電磁學教學的重點和難點,一是其涉及的因素多，包括原磁場方向、磁通量變化、線圈繞向、感應電流方向、感應電流的磁場方向等;二是規律的抽象性和概括性很強。傳統實驗從判斷感應電流產生的條件入手,構建各相關量的關系,從而引導學生進行分析、歸納,總結得出感應電流的磁場與原磁場磁通量變化的關系。[1]該實驗過程復雜,現象繁多。另外楞次定律的表述言簡意賅,學生剛開始學習,通常不能準確領會它的涵義。

利用DIS設計楞次定律實驗,[2]手持條形磁鐵在感應線圈中沿直線來回運動,借助微電流傳感器可得到感應電流的波形圖(圖1)。通過圖像學生雖然可以直觀地感知感應電流隨時間的變化,但卻不能直觀感知原磁場、感應電流的磁場的變化。為了幫助學生直觀形象地理解楞次定律所揭示的規律,筆者改進了利用DIS的楞次定律實驗,運用圖像方法呈現“增反減同”的實驗結果。

圖1

2 實驗原理

楞次定律揭示了感應電流的磁場對原磁場磁通量的變化有“阻礙”作用。由Φ=BS可知，在線圈面積不變的情況下,原磁場磁通量的變化由原磁場磁感應強度的變化導致,因此設計楞次定律實驗時主要以探究感應電流的磁場與原磁場的關系為目標,實驗可以設計為兩條主線。

2.1 探究感應電流的磁場特點

考慮到原磁場的干擾，感應電流磁場的磁感應強度不能直接用磁傳感器測量,可先用微電流傳感器測量感應電流,將微電流傳感器與線圈串聯后接入數據采集器，當條形磁鐵靠近和遠離線圈時,利用數據采集軟件可以在電腦屏上顯示感應電流的大小和方向隨時間的變化關系(i-t圖像),再依據電流的磁效應和安培定則將感應電流隨時間變化的圖像(i-t圖像)轉化為感應電流磁場的磁感應強度隨時間變化的圖像(B-t圖像)。

2.2 探究原磁場的特點

原磁場的磁感應強度可直接用磁傳感器測量,為了避免感應電流磁場對原磁場的影響,可將線圈撤掉,保持其他實驗器材位置不變使用條形磁鐵重復探究感應電流的實驗過程,由數據采集軟件得到條形磁鐵靠近和遠離線圈時原磁場的磁感應強度隨時間的變化圖像(B0-t圖像)。通過分析對比B-t圖像和B0-t圖像,得出實驗結論。

3 實驗過程及結果分析

3.1 探究感應電流的特點

如圖2所示,實驗用到的器材有：微電流傳感器、條形磁鐵、銅線圈、兩本字典組成的穩定平臺等。微電流傳感器的紅黑表筆分別接銅線圈的左右兩端,條形磁鐵置于穩定平臺上劃線處,S極指向線圈。

圖2

打開數據采集軟件,點擊“開始”“校準”按鈕,當時間到10 s時,將條形磁鐵沿穩定平臺快速推進線圈,并在線圈中停留大概10 s,在20 s時將條形磁鐵沿原路快速拔出線圈,電腦顯示屏上得到感應電流隨時間的變化圖像(圖3),由圖3可知：只有穿過閉合線圈的磁通量變化時,線圈中才會產生感應電流,并且在條形磁鐵進入與離開線圈時產生感應電流的方向不同。

圖3

3.2 定性分析感應電流的磁場

磁感應強度是矢量,分析感應電流產生的磁場特點應從以下兩個方面入手。

(1) 磁感應強度強弱的判斷：根據電流的磁效應,感應電流的磁場強弱與感應電流大小變化同步,感應電流增大(或減小)時，感應電流的磁場也會增強(或減弱)。

(2) 磁感應強度方向的判斷：微電流傳感器中電流紅進(黑出)為正,利用圖2所連電路結合右手定則可分析出：當感應電流為正值時,感應電流的磁場方向向右；當感應電流為負值時,感應電流的磁場方向向左。既然感應電流磁場的強弱和方向與感應電流的大小和方向存在這種必然的聯系,因此可將感應電流隨時間變化的圖像(i-t圖像)做進一步處理,轉化為感應電流磁場的磁感應強度隨時間變化的圖像(B-t圖像),這樣一來,該圖像縱軸就表示感應電流磁場的磁感應強度,正半軸表示感應電流磁場沿線圈軸向向右,負半軸表示感應電流磁場沿線圈軸向向左(圖4)。

圖4

3.3 探究原磁場的特點

如圖5所示,將磁傳感器放置在線圈所在位置,為了避免線圈對原磁場干擾，將線圈撤走,條形磁鐵同樣置于穩定平臺上劃線處,N極指向線圈原來所在位置。

圖5

打開專用數據采集軟件,點擊“開始”“校準”按鈕,10 s時將條形磁鐵沿穩定平臺快速推進線圈,并在線圈中停留大概10 s,20 s時將條形磁鐵沿原路快速拔出線圈,電腦顯示屏上得到如圖6所示的原磁場磁感應強度隨時間的變化圖像(B0-t圖像),由于條形磁鐵S極向右,結合圖像可知原磁場向右也為正。

圖6

3.4 結果分析

結合物理過程，對比分析圖4和圖6,當條形磁鐵S極進入線圈時,原磁場的磁感應強度反向增強,感應電流磁場的磁感應強度先正向增強,后減小為零;當條形磁鐵置于線圈中靜止不動時,感應電流磁場的磁感應強度為零;當條形磁鐵的S極離開線圈時,原磁場的磁感應強度反向減弱,感應電流磁場的磁感應強度先反向增加,后減小為零,總結上述對比分析,得出：感應電流的磁場對原磁場的變化有“阻礙”作用,并且“阻礙”不僅是“反抗”原磁場的增加,同時又是“補償”原磁場的減弱,即“增反減同”。

以上兩組探究實驗都是在條形磁鐵S極進入和離開線圈時得出結論,要驗證實驗結論,可以調換條形磁鐵的磁極,讓N極指向線圈在一定的時刻快速插入和拔出線圈,重復以上實驗過程,可得到原磁場的B0-t圖像(圖7)和感應電流磁場B-t圖像(圖8),分析可知結果與得到的實驗結論相符。

圖7

圖8

4 實驗教學評價與反思

與傳統實驗相比,本實驗設計更加突出楞次定律的本質，即探究感應電流的磁場與原磁場的關系,實驗目的更加明確。微電流傳感器、磁傳感器的使用將學生無法直接感知的物理現象和過程轉化為更容易接受和理解的圖像,利用圖像對比感應電流的磁場與原磁場的關系特點,結論顯而易見，邏輯關系更加簡單,有助于加深學生對物理現象、規律的認識與理解。