探究電磁阻尼現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)組和教具

何欣城

初中課本中簡單地介紹了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，使學(xué)生初步了解了“磁生電”的方法。而在高中課本中的相關(guān)章節(jié)，除電磁感應(yīng)的概念、分析、計(jì)算和應(yīng)用外，還有一種叫電磁阻尼的現(xiàn)象與之相關(guān)，這些現(xiàn)象如果能一一展示給學(xué)生，會大大激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

為幫助學(xué)生理解、掌握電磁感應(yīng)的相關(guān)知識，我萌生了自制教學(xué)儀器的想法。透過儀器分析這些生動有趣的現(xiàn)象，學(xué)生能將電磁感應(yīng)、楞次定律、電磁阻尼這三方面的內(nèi)容緊密地結(jié)合在一起思考，這對鍛煉學(xué)生的物理思維能力、拓寬學(xué)生視野等有很大作用。

一、教具制作

本組合教具包括以下三種常見的電磁阻尼現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)裝置，制作與演示方法如下：

（一）渦流制動

1.材料：“蹄形強(qiáng)磁鐵”（由兩片長方形強(qiáng)磁體、U型鐵塊組成）、鋁盤（帶支持架）。

2.演示方法：如圖1所示，撥動鋁盤，使鋁盤高速轉(zhuǎn)動，讓“蹄形強(qiáng)磁鐵”靠近鋁盤，鋁盤在磁體兩極之間的磁場中轉(zhuǎn)動?？梢钥闯觯尤氪艌龊?，鋁盤轉(zhuǎn)動速率明顯減小，很快就停下來。

3.原理：鋁盤在蹄形磁鐵的磁場中轉(zhuǎn)動，會在鋁盤中激起渦流，渦流與磁場相互作用產(chǎn)生動態(tài)阻尼力，從而提供制動力矩，使鋁盤迅速停下來。

4.制作要點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)用的鋁盤、連接鋁盤的安放架及U型鐵塊，都是從廢舊電能表上拆下來的。

根據(jù)電磁感應(yīng)公式ε= n（ΔΦ/Δt），要產(chǎn)生更大的動態(tài)阻尼力，要求磁場足夠大。所以需使用強(qiáng)磁體，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

另外，局部磁場的強(qiáng)弱還與磁體形狀有關(guān)，同時靠近兩個磁極，比只能利用一個磁極的磁場要強(qiáng)得多，這也是制作“蹄形強(qiáng)磁鐵”的原因。

（二）電磁阻尼管

1.材料：空心不銹鋼管、圓柱形強(qiáng)磁鐵若干、竹子段若干（作為填充物）、兩個銅環(huán)（其中一個有缺口）。

2.構(gòu)造：如圖2所示，將強(qiáng)磁鐵與填充物間隔著塞滿空心不銹鋼管。鋼管下端安裝底座，銅環(huán)用粗銅線繞成，以剛好穿過不銹鋼管為宜，其中一個銅環(huán)兩端要焊接在一起，另一個保留缺口。

3.演示方法：將兩個銅環(huán)放入不銹鋼管口，閉合的在上，有缺口的在下，使兩個線圈沿管壁下落，閉合的銅環(huán)從不銹鋼管上緩慢下落，有缺口的線圈則以近似自由落體的方式正常下落。

4.原理：閉合導(dǎo)體穿過磁極時切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體受到總是阻礙相對運(yùn)動的安培力的作用，所以閉合銅環(huán)的下降速度較慢。而開口銅環(huán)沒有感應(yīng)電流，不受安培力，按照近似自由落體的規(guī)律下落。

5.制作要點(diǎn)：管內(nèi)磁鐵與填充物應(yīng)間隔均勻分布，而不能只用磁鐵裝滿或?qū)⒋盆F集中在一起。如果磁鐵都集中在一起，就相當(dāng)于一塊很長的條形磁鐵，雖然兩極磁感線較密集，但中部的磁感線近似與磁鐵自身平行，銅環(huán)通過這段時，磁通量變化極小，不減速，實(shí)驗(yàn)效果差。

銅環(huán)質(zhì)量均勻，而且不能太小。質(zhì)量均勻下落時才能平衡。銅環(huán)質(zhì)量太小，摩擦力減速的作用本身就已很明顯，安培力的作用不易分辨。

（三）電磁阻尼擺

1.材料：圓形厚鋁片兩塊（可用舊版一角硬幣代替）、圓柱形強(qiáng)磁鐵、支架、線。

2.構(gòu)造：如圖3所示，將圓形鋁片中心穿孔，掛在支架兩側(cè)，注意使兩側(cè)鋁片處于同一高度，在其中一側(cè)安放磁鐵，磁場對準(zhǔn)鋁片。

3.演示方法：將兩側(cè)鋁片拉升到同一高度，同時釋放，可以看到，經(jīng)過磁場一側(cè)的擺的擺動幅度會有明顯衰減，先于另一側(cè)停下來。

4.實(shí)驗(yàn)原理：有磁場一側(cè)的鋁片通過磁場時，鋁片的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，先停下來。

5.制作要點(diǎn)：擺片材料所含鐵雜質(zhì)要足夠低，且質(zhì)量不能太大；磁場范圍的大小應(yīng)與擺片大小相當(dāng)。

二、創(chuàng)新性

1.針對性強(qiáng)，效果明顯。

2.成本低廉，構(gòu)造簡易。

本教具組裝方便、造價(jià)不高，既能培養(yǎng)學(xué)生動手能力，又能改善教師的教學(xué)效果。endprint