自制楞次定律演示儀

阮長久，蘇 靜

（金華第一中學(xué)，浙江 金華321015）

1 引 言

在各種版本的中學(xué)物理教材中，大多是采用磁鐵插入和拔出線圈的實驗方法，通過觀察感應(yīng)電流的方向去判斷感應(yīng)電流的磁場方向，從而分析得出楞次定律，實驗過程比較短暫且沒有對比性，學(xué)生難以發(fā)現(xiàn)新的實驗現(xiàn)象，其邏輯關(guān)系使學(xué)生在認識上感到相當(dāng)困難．

筆者利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象設(shè)計楞次定律實驗，實驗現(xiàn)象發(fā)生過程較長，實驗過程中2塊磁鐵下降速度對比效果較好，在引起學(xué)生興趣的同時，再進一步給出改進的實驗方案，在玻璃管口加上1個帶有開口的銅環(huán)，再通過朗威的電流傳感器接入電腦，實驗現(xiàn)象直觀、明顯、較容易得出楞次定律．經(jīng)教學(xué)實踐證明，該實驗設(shè)計使楞次定律的教學(xué)層次變得簡單明了、邏輯性強，很符合學(xué)生的認知規(guī)律，有利于學(xué)生對楞次定律的理解和掌握．

2 實驗原理

用釹鐵硼圓柱形磁鐵靠近或離開裝好錫箔紙筒的透明玻璃管時，錫箔紙筒中感應(yīng)電流激發(fā)的磁場由于阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，迫使錫箔紙筒阻礙磁鐵的運動，與另一個相同的磁鐵經(jīng)過沒有裝錫箔紙筒的透明玻璃管時，形成鮮明的對比，釹鐵硼超強磁鐵靠近或離開裝好錫箔紙筒的透明玻璃管時形成電磁感應(yīng)的“相見時難別亦難”的精彩過程，再利用電腦I－t圖像中電流在橫坐標(biāo)的上方還是下方，直接可判斷感應(yīng)電流的磁場和原磁場方向的關(guān)系，總結(jié)出楞次定律．

3 實驗材料及裝置的制作

4 cm×2 cm釹鐵硼圓柱形磁鐵2塊，長度為1 m、外徑為3 cm、內(nèi)徑為2 cm且兩端開口的玻璃管2根，長度為35 cm錫箔紙筒2個，鋼鋸1把，開口的銅環(huán)1個，朗威電流傳感器1套，高為16 cm、直徑為6 cm廢棄的塑料杯2只，海綿1塊，膠水1瓶，自制木架1個，透明膠帶1卷．

用鋼鋸把錫箔紙筒分割成10 cm的相等長度，再把錫箔紙筒套入選定的1根玻璃管中，該玻璃管上套有5個切割好的錫箔紙筒，讓錫箔紙筒均勻地分布在玻璃管上，再把已經(jīng)裝好錫箔紙筒的玻璃管用透明膠帶繞在自制好的木架上，另一根沒有裝錫箔紙筒的玻璃管直接用透明膠帶繞在同一個木架的另一邊．用鋼鋸把廢棄的2個塑料杯鋸成11 cm高，再用膠水使其固定在正對玻璃管口的木架底端的木塊上，為了防止釹鐵硼圓柱形磁鐵落入塑料杯后的反彈，可在塑料杯底墊上海綿，實驗裝置如圖1所示．

利用圖1所示裝置演示“相見時難別亦難”現(xiàn)象后，在另一根沒有裝上錫箔紙筒的玻璃管管口套上銅環(huán)，該銅環(huán)通過朗威電流傳感器接電腦，使軟件處于I－t圖像狀態(tài)，軟件窗口如圖2所示．通過感應(yīng)電流的方向可以判斷感應(yīng)電流的磁場方向，從而可以順利地得出楞次定律．

圖1 楞次定律演示儀裝置圖

圖2 朗威軟件顯示磁鐵穿過銅環(huán)的電流、時間曲線

4 實驗方法

該演示楞次定律的實驗，可以幫助學(xué)生了解落入裝有錫箔紙筒的玻璃中的管磁鐵的速度明顯比落入沒有裝錫箔紙筒的空玻璃管中的磁鐵下落慢；把磁鐵的N極和S極互換，重新進行實驗，發(fā)現(xiàn)同樣的實驗現(xiàn)象，說明磁鐵落入裝有錫箔紙筒的玻璃管中受到力的作用，也就是說錫箔紙筒對磁鐵會產(chǎn)生力的作用，從而導(dǎo)致磁鐵的下降速度明顯減慢．

在玻璃管口附近套上開口的銅環(huán)，把磁鐵（N或S極）從玻璃管的另一端釋放，在磁鐵由遠漸漸靠近銅環(huán)的過程中，通過電腦上的I－t圖像可以發(fā)現(xiàn)，銅環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使銅環(huán)與磁鐵相對端形成的磁極，與磁鐵的磁極同名，說明感應(yīng)電流的磁場是“反抗”原磁通量的增加．在磁鐵（N或S極）穿出銅環(huán)的過程中（也就是磁鐵遠離銅環(huán)的過程），通過電腦上的I－t圖像可以發(fā)現(xiàn)，銅環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使銅環(huán)與磁鐵相對端形成的磁極，與磁鐵的磁極異名，說明感應(yīng)電流的磁場是“補償”原磁通量的減少．感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化．分析、綜合上述實驗現(xiàn)象，可以得出楞次定律．

楞次定律的應(yīng)用——驗證感應(yīng)電流的方向．先利用楞次定律和安培定則理論分析、判斷：當(dāng)磁鐵（N或S極）快速靠近或遠離套在玻璃管上的銅環(huán)時，根據(jù)電腦的I－t圖像中電流在橫坐標(biāo)的上方還是下方，判斷出銅環(huán)中感應(yīng)電流的方向．然后使磁鐵（N或S極）快速靠近或遠離套在玻璃管上的銅環(huán)時，通過電腦上的I－t圖像中電流在橫坐標(biāo)的上方還是下方，可驗證理論判斷的感應(yīng)電流方向是正確的．

［1］ 朱向陽，施朝群．“楞次定律”教學(xué)探論與實驗設(shè)計［J］．物理實驗，2010，30（6）：20－22．

［2］ 莊明偉，余志文，梁爽，等．雙管對比式楞次定律演示裝置［J］．物理實驗，2010，30（6）：33－24．