互感現(xiàn)象方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

黃春如 熊小蘭

(樟樹第三中學(xué) 江西 樟樹 331200)

為使學(xué)生在知識(shí)的學(xué)習(xí)中更好地經(jīng)歷過程、體會(huì)方法，使之對(duì)物理概念更好地理解,以利于對(duì)知識(shí)的掌握.筆者從身邊的廢舊器件中尋找可用之材，針對(duì)互感現(xiàn)象的特點(diǎn)及其實(shí)際應(yīng)用，改進(jìn)和設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)方案.

1 實(shí)驗(yàn)器材

音樂手機(jī)1部，自制線圈2個(gè)，收音機(jī)中的條形磁棒1根，廢舊彩電行輸出磁芯1副，帶功放的電腦音響1臺(tái)，紅、綠顏色LED各1枚，干電池2節(jié)，滑動(dòng)變阻器1只，電流表1只，開關(guān),導(dǎo)線，螺絲刀,尖嘴鉗,粉筆,牙刷等.

2 互感現(xiàn)象在教材中的教學(xué)設(shè)計(jì)

圖1 法拉第用過的線圈

課本中互感的概念是通過法拉第線圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)論建立的,在法拉第的實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)線圈之間并沒有導(dǎo)線相連，但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象叫做互感[1].之后推理得出互感不僅僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個(gè)線圈之間，而且可以發(fā)生于任何兩個(gè)相互靠近的電路之間，并列舉了互感在電工技術(shù)(變壓器)和電子技術(shù)(如圖1：收音機(jī)中的“磁性天線”)上的應(yīng)用實(shí)例.

互感概念的前一部分可以說是以法拉第電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)得出的，但后一部分結(jié)論對(duì)學(xué)生只能是理論上的一個(gè)推導(dǎo)，并沒有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來構(gòu)建此概念.對(duì)互感在電工、電子技術(shù)上的應(yīng)用實(shí)例，學(xué)生更是一頭霧水.為使學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程，我們依據(jù)法拉第實(shí)驗(yàn)線圈的原理，設(shè)計(jì)了互感現(xiàn)象的一些簡單實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中不僅經(jīng)歷了過程與方法，同時(shí)又很好地實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與技能、情感態(tài)度與價(jià)值觀新課程三維目標(biāo)的要求.

2.1 設(shè)計(jì)方案1：

“法拉第實(shí)驗(yàn)線圈+音樂手機(jī)+功放音響”.用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)室中的法拉第實(shí)驗(yàn)線圈來探究互感現(xiàn)象，直觀形象對(duì)學(xué)生不僅有視覺的沖擊，更有聽覺的享受，效果很好.

圖2 實(shí)驗(yàn)室中的法拉第線圈探究互感現(xiàn)象裝置

2.2 設(shè)計(jì)方案2：

“自制實(shí)驗(yàn)線圈+音樂手機(jī)+功放音響”，輔以“收音機(jī)磁棒、彩電行磁芯”.如圖3所示，線圈1，線圈2用0.3 ～0.5 mm漆包線(可從廢舊節(jié)能燈中的高頻變壓器中取用)在直徑2 cm高1.5 cmPVC套管上繞150匝左右.線圈1與音樂手機(jī)相連，線圈2與功放音響相連，將線圈1和線圈2用棉線懸于水平狀態(tài)，并使其之間的間距可調(diào).手機(jī)設(shè)置為音樂播放狀態(tài)，打開功放音響并將音量旋紐調(diào)至最大.若在課堂進(jìn)行演示，可請兩名學(xué)生協(xié)助教師操作，其中一學(xué)生將線圈1與線圈2逐漸靠近，另一學(xué)生注意聽音響中的樂音變化，并將結(jié)果報(bào)告全班同學(xué).

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，線圈2與線圈1并沒有導(dǎo)線相連，但當(dāng)線圈1中通入音樂手機(jī)中變化的音頻信號(hào)時(shí)，在線圈2中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，形成感應(yīng)電流，推動(dòng)功放音響發(fā)聲.學(xué)生親手實(shí)驗(yàn)并觀察現(xiàn)象，通過現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，很容易歸納出互感現(xiàn)象的定義.

在給出互感現(xiàn)象的定義之后，依據(jù)圖3進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由此給出互感在電子技術(shù)和電工技術(shù)中應(yīng)用的直觀形象.

圖3 收音機(jī)“磁性天線”模型

2.2.1 互感現(xiàn)象在電子技術(shù)中的應(yīng)用：收音機(jī)“磁性天線”模型

在圖3中，當(dāng)線圈1，線圈2靠近的過程中，可聽到功放音響中的聲音逐步增強(qiáng).當(dāng)線圈拉遠(yuǎn)時(shí)，音量減弱，音量減弱到只有前排同學(xué)能夠聽到時(shí)，請一位同學(xué)在線圈中插入粉筆、牙刷等非鐵質(zhì)物件，提醒學(xué)生仔細(xì)聽功放音響前后音量的變化，發(fā)現(xiàn)功放信號(hào)的音量無變化.再請一位同學(xué)將收音機(jī)中的磁棒水平插入線圈之中.這一過程中，功放樂音信號(hào)音量明顯增大，此時(shí)，請學(xué)生仔細(xì)觀察圖4(a)中的線圈1，線圈2與磁棒實(shí)物結(jié)構(gòu)，它非常直觀地充當(dāng)了課本介紹的圖4.6-1，收音機(jī)里的“磁性天線”.利用該裝置可使學(xué)生很好地理解，通過互感現(xiàn)象把信號(hào)從一個(gè)線圈傳送到另一個(gè)線圈，并使學(xué)生認(rèn)識(shí)互感的強(qiáng)弱與線圈中有無鐵芯有關(guān).

圖4 “變壓器”模型

2.2.2 互感現(xiàn)象在電工技術(shù)中的應(yīng)用：變壓器模型

把線圈1，線圈2從棉線上解下，將其套在彩電行輸出磁芯上.先不讓磁芯回路封閉，將手機(jī)設(shè)置為音樂播放狀態(tài)，可聽到功放音響中有較大的音樂聲，之后使磁芯回路處于封閉狀態(tài)，此時(shí)全班同學(xué)可聽到“震耳欲聾”的音樂聲，課堂氣氛推向高潮.圖4(b)中的線圈1，線圈2與磁芯組成了一變壓器.該模型能直觀地告訴學(xué)生，兩線圈并沒有導(dǎo)線相連，當(dāng)一個(gè)線圈中輸入音樂信號(hào)時(shí)，在另一個(gè)線圈中能輸出音樂信號(hào)，并且輸入、輸出信號(hào)不失真(頻率不變).

2.3 設(shè)計(jì)方案3：

如圖5所示，把線圈1與電源、開關(guān)、電流表、滑動(dòng)變阻器相連，構(gòu)成初級(jí)回路，線圈2與反向并聯(lián)的LED1，LED2連接，構(gòu)成次級(jí)回路.

圖5

實(shí)驗(yàn)步驟：調(diào)整可變電阻器的阻值，使開關(guān)S閉合時(shí)，ab回路中的電流在0.3 A左右.通斷開關(guān)S，電流表指針搖擺，與線圈cd反向并接的LED1和LED2交替閃亮.閉合S不動(dòng)，電流表有示數(shù)，但LED皆不亮.此時(shí)，用手提磁芯上半部分，磁芯在磁化后的磁力作用下可把下半部分提起，斷開開關(guān)S，磁芯失磁，下半部分在重力作用下脫落.

通過以上實(shí)驗(yàn)過程，可使學(xué)生清楚地總結(jié)出，線圈cd與線圈ab并沒有導(dǎo)線相連，當(dāng)ab中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場會(huì)在cd線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，使連接cd線圈的LED閃亮.閉合開關(guān)S，電流表有示數(shù)但不變化，線圈中有磁場，磁芯被磁化，但穿過線圈中的磁通量不變化，因而線圈cd中沒有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，LED皆不亮.

此實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)后的交流中，學(xué)生說，通、斷電引起的電流變化產(chǎn)生變化的磁場，導(dǎo)致產(chǎn)生出互感電動(dòng)勢，這樣，總結(jié)出的互感現(xiàn)象結(jié)論，由于親身的體驗(yàn)，在我們頭腦中打下了烙印.

圖5中的磁芯和線圈也是一個(gè)電能傳輸型的變壓器模型，應(yīng)用上述模型能直觀清楚地使學(xué)生認(rèn)識(shí)到變壓器是利用互感現(xiàn)象制成的，它可以把能量由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈，工作的條件是線圈中必須通以變化的電流.由圖4的變壓器模型和實(shí)物彩電行輸出，可使學(xué)生對(duì)課本提到的互感在電工技術(shù)和電子技術(shù)中廣泛的應(yīng)用有更具體的認(rèn)識(shí).

2.4 設(shè)計(jì)方案4：

用長約30 cm細(xì)導(dǎo)線，兩端與“1.5 V，0.3 A”小燈泡相連接，使回路接近圓形置于電磁爐臺(tái)面上.

實(shí)驗(yàn)步驟：如圖6,將電磁爐接入220 V交流電，接通開關(guān)給其通電.用竹筷將圓形導(dǎo)線從電磁爐外緣逐步推至中心位置，可觀察到小燈泡從無光逐漸變亮.用竹筷挾住小燈泡，使燈泡線圈平面逐漸遠(yuǎn)離電磁爐臺(tái)面，小燈泡由亮逐漸變?yōu)闊o光.

圖6 電磁爐上的一圈導(dǎo)線點(diǎn)視小燈泡

結(jié)論：當(dāng)電磁爐線圈盤電路中通以變化的交變電流時(shí)，靠近它的小燈泡電路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.此時(shí)得出推論即互感發(fā)生于任何兩個(gè)相互靠近電路之間，可使學(xué)生對(duì)概念的學(xué)習(xí)由抽象變具體，并對(duì)課本介紹的電力工程中和電子電路中互感的相互影響有更深刻地認(rèn)識(shí).

通過上述探究活動(dòng)，可使學(xué)生更加全面、深刻地理解互感的定義及其在實(shí)際中的應(yīng)用.

以上實(shí)驗(yàn)器材來源于生活，簡單易得，便于學(xué)生動(dòng)手操作，用于課堂教學(xué)或?qū)W生課外小組合作進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，通過實(shí)驗(yàn)很容易達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo).

參考文獻(xiàn)

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.物理選修3-2(第2版) .北京:人民教育出版社,2006.1 ～25

附：實(shí)驗(yàn)教學(xué)照片

用手機(jī)、功放、線圈探究互感現(xiàn)象：用手機(jī)連接一個(gè)線圈，另一線圈與功放相連.兩線圈置于同一水平細(xì)繩上.手機(jī)播放音樂，逐漸使兩線圈靠攏，功放中能聽到逐步增大的音樂聲.

用手機(jī)、功放、線圈探究互感現(xiàn)象：收音機(jī)中的“磁性天線”實(shí)物模型.在互感傳聲的同時(shí)，將磁棒插入線圈中，可發(fā)現(xiàn)音量明顯加大.收音機(jī)中的“磁性天線”就是通過互感的原理，使電臺(tái)的信號(hào)由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈.

用手機(jī)、功放、線圈探究互感現(xiàn)象： “變壓器”實(shí)物模型.在互感傳聲的同時(shí)，將兩個(gè)線圈套在彩電行輸出變壓器鐵氧體磁芯上，可發(fā)現(xiàn)音量顯著加大.工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“變壓器”就是通過互感的原理，使能量由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈.

利用電磁灶探究互感現(xiàn)象及渦流的產(chǎn)生：用一圈漆包線連接1.5 V的小燈泡，使電磁灶工作，可見小燈泡發(fā)光.取下小燈泡，讓漆包線成一閉合圓環(huán)，在圓環(huán)四周涂上松香，之后置于電磁灶上，當(dāng)接通電源后，可見圓環(huán)上的松香被加熱后冒煙，這就是渦電流產(chǎn)生的焦耳熱.