基于DISLab的楞次定律創(chuàng)新實驗設(shè)計

楊青華 張振 孔慶

摘 要：利用DISLab對楞次定律演示實驗進(jìn)行創(chuàng)新，由線圈的“來拒去留”現(xiàn)象直接得出感應(yīng)電流的磁場方向，進(jìn)而總結(jié)出楞次定律的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：DISLab；微電流傳感器；楞次定律；創(chuàng)新實驗

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）6-0054-2

DISLab的全稱是數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（Digital Information System Laboratory），是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包+計算機(jī)”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。DISLab將實驗數(shù)據(jù)通過傳感器采集實時動態(tài)地顯示在電腦上，并利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。DISLab配備有力、磁、光電、位移、溫度、電壓、電流、微電流等多種傳感器?；贒ISLab的優(yōu)越性，研究工作者已在物理教學(xué)中做了大量的探索研究[1-3]。本文利用DISLab中的微電流傳感器設(shè)計楞次定律實驗。

“楞次定律”是高中物理電磁學(xué)部分的重要內(nèi)容，也是高中教學(xué)的難點。人教版高中物理選修3-2《楞次定律》一節(jié)，從條形磁鐵相對螺線管運動的實驗出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生將“感應(yīng)電流的磁場”作為“中介”，通過填表比較，歸納出楞次定律的表述：“感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”[3]。這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，涉及原磁場的方向、感應(yīng)電流方向、線圈繞向、感應(yīng)電流的磁場方向、磁場的變化方向等諸多要素。對此，筆者認(rèn)為，該實驗現(xiàn)象多，過程復(fù)雜，其邏輯關(guān)系使學(xué)生在認(rèn)識上感到相當(dāng)困惑。

本文利用“來拒去留”現(xiàn)象設(shè)計楞次定律實驗，并加入微電流傳感器這一儀器，實驗現(xiàn)象直接反應(yīng)“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”，從而歸納總結(jié)出楞次定律。

1 實驗設(shè)計思想

線圈與微電流傳感器串聯(lián)，用釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵靠近或離開可靈活移動的線圈時，線圈中感應(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，迫使線圈跟隨磁鐵同向運動，形成“來拒去留”的現(xiàn)象，根據(jù)磁極間相互作用的規(guī)律，直接判斷感應(yīng)電流的磁場方向；而微電流傳感器在電腦屏幕上可以清楚地顯示感應(yīng)電流的大小和方向，從而很直觀地判斷出感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向之間的關(guān)系，分析出感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起感應(yīng)電流磁通量的變化。

2 實驗材料

微電流傳感器1只，數(shù)據(jù)線1根，電腦1臺，7 cm*5 cm*1.2 cm釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵1塊，塑料泡沫1塊，直徑0.5 mm的漆包線，中性筆芯等。

3 實驗設(shè)計及結(jié)果分析

連接電路：將微電流傳感器與線圈串聯(lián)，接入電腦。同時，把載有線圈的泡沫塊放在中性筆芯上，以減小摩擦阻力，實驗裝置圖如圖1所示。

實驗：打開電腦中的微電流傳感器實驗采集模板，點擊開始，同時把磁鐵由遠(yuǎn)及近快速推向線圈（不與線圈接觸），可以看到線圈跟隨磁鐵同向運動。已知靠近線圈一端的磁鐵極性是N極，而線圈向遠(yuǎn)離磁鐵的方向運動，線圈與磁鐵相互排斥，說明線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生了磁場，并且線圈的右側(cè)是N極。

我們接著分析感應(yīng)電流磁場的作用，當(dāng)磁鐵靠近線圈時，線圈中的磁通量增加，而感應(yīng)電流的磁場又與近端的磁鐵的磁場方向相反，故感應(yīng)電流的磁場是阻礙原磁通量的增加。

我們再來分析線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，通過微電流傳感器在電腦屏幕上的顯示，可以看到，線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的磁場方向水平向右，根據(jù)右手螺旋定則判斷出感應(yīng)電流的方向是順時針，觀察微電流傳感器在電腦屏幕上的顯示，如圖2所示，電流方向在y坐標(biāo)軸下方。因此，利用微電流傳感器可以驗證感應(yīng)電流的方向。

再次，打開微電流傳感器實驗采集模板，當(dāng)磁鐵快速地遠(yuǎn)離線圈時，可以看到，線圈跟隨磁鐵一起運動，而靠近線圈一端的磁鐵極性是N極，故線圈右側(cè)是S極，線圈磁場的方向是水平向左。

我們接著分析感應(yīng)電流磁場的作用，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離線圈時，線圈中的磁通量減少，而感應(yīng)電流的磁場與近端的磁鐵的磁場方向都是水平向左，故感應(yīng)電流的磁場是阻礙原磁通量的減少。

實驗現(xiàn)象表明線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，通過微電流傳感器在電腦屏幕上的顯示，可以看到，線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。由于感應(yīng)電流的磁場水平向左，根據(jù)右手螺旋定則判斷出感應(yīng)電流的方向是逆時針，故電流方向在y坐標(biāo)軸上方，如圖3 所示，同樣可以驗證感應(yīng)電流的方向是正確的。

分析、綜合上述實驗現(xiàn)象，可得出楞次定律：感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

4 實驗的創(chuàng)新點

1）與傳統(tǒng)實驗相比，該實驗裝置簡單，線圈的運動這一實驗現(xiàn)象既直觀又具有很強(qiáng)的可視性，通過線圈的“來拒去留”現(xiàn)象，就直接判斷出感應(yīng)電流的磁場方向，進(jìn)而總結(jié)出“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”。

2）傳統(tǒng)實驗都是利用磁鐵插入和拔出線圈的實驗方法，這種實驗設(shè)計借助“感應(yīng)電流的磁場”這一中介，讓學(xué)生通過觀察感應(yīng)電流的方向和線圈中磁通量的變化情況去判斷感應(yīng)磁場的方向，而又總結(jié)出由感應(yīng)電流的磁場方向去判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律，思維上要間接地轉(zhuǎn)換，才能確定感應(yīng)電流的方向。

3）本實驗利用微電流傳感器，能方便地采集到微小感應(yīng)電流，在電腦屏幕上顯示感應(yīng)電流的大小和方向，便于數(shù)據(jù)分析，這是一般電磁式儀表無法達(dá)到的。

5 總 結(jié)

利用DISLab對楞次定律演示實驗進(jìn)行探究，能夠直觀清晰地看出線圈中感應(yīng)電流的大小和方向。通過線圈的運動情況，直接判斷出線圈中感應(yīng)磁場的方向，使得教學(xué)過程簡單直觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]王柏廬.走進(jìn)中學(xué)IT教學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]譚紅，陳曉莉.DISLab在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2008，（13）：12.

[3]金文銳，陳彩榮，包國速，等.基于DISLab的電容器充放電現(xiàn)象探究[J].物理教學(xué)探討，2014，（7）：39.

（欄目編輯 王柏廬）