對(duì)“感生電場(chǎng)演示儀”的改進(jìn)*

席江華 熊小蘭

(江西省樟樹中學(xué) 江西 樟樹 331200)(江西省樟樹第三中學(xué) 江西 樟樹 331200)(收稿日期：2016-06-02)

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對(duì)“感生電場(chǎng)演示儀”的改進(jìn)*

席江華 熊小蘭

(江西省樟樹中學(xué) 江西 樟樹 331200)(江西省樟樹第三中學(xué) 江西 樟樹 331200)(收稿日期：2016-06-02)

變化的磁場(chǎng)會(huì)在其周圍空間激發(fā)感生電場(chǎng)，感生電場(chǎng)作用于導(dǎo)體中的自由電荷，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成感應(yīng)電流．針對(duì)教材提供的實(shí)驗(yàn)案例使用交流電的不足，提出改進(jìn)方案，有利于師生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，揭示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)理．

感生電場(chǎng) 非靜電力 制作改進(jìn) 演示儀

英國物理學(xué)家麥克斯韋在法拉第電磁感應(yīng)定律研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了法拉第的電磁理論，認(rèn)為磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場(chǎng)，這種電場(chǎng)與靜電場(chǎng)不同，它不是由電荷產(chǎn)生的，即使磁場(chǎng)周圍不存在導(dǎo)體回路，這種電場(chǎng)依然存在，通常稱之為感生電場(chǎng)或渦旋電場(chǎng)[1]．科學(xué)發(fā)展到今天，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替產(chǎn)生傳播形成電磁波，這些猜測(cè)不僅早已得到證實(shí)，并在日常生活和現(xiàn)代科學(xué)研究中發(fā)揮著巨大的作用，如家用電磁灶，無線電通訊，電子感應(yīng)加速器等的應(yīng)用．

上述知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)高中學(xué)生來講是比較抽象，人教版《物理·選修3-2》“感生電場(chǎng)”部分的教學(xué)，對(duì)應(yīng)的教師教學(xué)參考書中設(shè)置了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)[2]，該實(shí)驗(yàn)由于要使用市電，出于安全考慮，教學(xué)演示或?qū)W生自主探究很少使用．

圖1 “感生電場(chǎng)”教學(xué)教師教學(xué)參考書設(shè)置實(shí)驗(yàn)

為使學(xué)生真正自主探究變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，我們對(duì)教參提供的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，將市電用手機(jī)電池替代輔以變頻開關(guān)，獲得類似市電的交變電流．將鎢絲小燈泡用LED替代，從而使微弱的感應(yīng)電流就能驅(qū)動(dòng)其發(fā)光．用改進(jìn)后的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，收到了很好的教學(xué)效果，現(xiàn)介紹如下．

1 直流模擬交流電源及元件自制

如圖2所示，左側(cè)部分為直流模擬交變電流的原理圖，將單刀雙擲開關(guān)的1，4接線柱相連，將2，3接線柱相連，直流電源接入3，4端，當(dāng)雙擲開關(guān)交替接觸1，2和3，4接線柱時(shí)，中心頭5，6輸出端將輸出交變電流．

圖2 直流模擬交變電流的原理圖

為使演示效果更佳，我們用廢舊萬用表制作了一變頻開關(guān)，其工作原理如圖3所示，實(shí)物圖如圖4所示．

圖3 變頻開關(guān)原理圖

我們找來一廢舊多用電表(南京某電子儀表廠生產(chǎn)的MF47型多用表)，仔細(xì)觀察其擋位轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其上有半徑不同的3圈銅片，取半徑最大的外圍兩圈環(huán)狀金屬片，圓圈上分布有內(nèi)、外徑不同的兩組各24塊金屬銅片(有粘連的小心沿半徑方向?qū)⑵浣財(cái)?，使其成如圖3所示的原理圖形狀．將內(nèi)、外銅片按圖所示用銅導(dǎo)線交替連接，確?；琍1，P2與P同軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過1，2輸入的直流電源在滑片的作用下，能使與滑片P1，P2連接的5，6端輸出的電源極性是交替變化的，當(dāng)滑片P的轉(zhuǎn)速較快時(shí)，5，6兩端輸出的就是頻率較大的交流電．

2 線圈的制作方法

為使線圈B在交變電流作用下激發(fā)的變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的感生電場(chǎng)，對(duì)A線圈電荷的作用形成的感應(yīng)電流能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)光元件發(fā)光，我們將小電泡用LED替代，這樣，微弱的感應(yīng)電流就能促使LED發(fā)光．

為使線圈A在變化的磁場(chǎng)形成的感生電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生足以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈A的匝數(shù)應(yīng)較多，選用汽車裝飾元件“太陽能蘋果花”中的驅(qū)動(dòng)線圈，該線圈線徑細(xì)、匝數(shù)多，用在此處效果好，線圈A實(shí)物如圖5所示．

圖5 線圈實(shí)物圖

線圈B用線徑0.2 mm的漆包線在直徑2 cm的PVC管上繞350匝，PVC管中加入鐵氧體磁芯，線圈B實(shí)物如圖5所示．

3 演示方法

將實(shí)驗(yàn)裝置按如圖3所示連接線路，手機(jī)電池接入變頻開關(guān)的1，2端，變頻開關(guān)的5，6輸出端接線圈B，將線圈A置于線圈B的上方，如圖6所示．當(dāng)變頻開關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通入螺線管B中的電流交替變化，使穿過螺線管的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，這一變化的磁場(chǎng)使線圈A連著的LED發(fā)光．

圖6 旋轉(zhuǎn)變頻開關(guān)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

4 原因分析

LED發(fā)光，表明線圈B中的磁場(chǎng)變化時(shí)導(dǎo)致了線圈A中的電荷做定向運(yùn)動(dòng)，那么電荷定向運(yùn)動(dòng)的作用力是什么力呢？這一作用力不會(huì)是洛倫茲力，因?yàn)榇艌?chǎng)對(duì)靜止電荷不會(huì)有洛倫茲力作用；也不可能是靜電力，靜電力是電荷間的相互作用力，與磁場(chǎng)無關(guān)．這一作用力只能是變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的，因?yàn)樽冾l開關(guān)不轉(zhuǎn)動(dòng)，LED不亮，變頻開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)，LED亮．

變頻開關(guān)的作用導(dǎo)致流入線圈B中的電流交替變化，線圈B中形成變化的磁場(chǎng)，這一變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)——感生電場(chǎng)，感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力就是感生電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力．

還可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析：不管A線圈存不存在，只要變頻開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)著，通過線圈B中的電流發(fā)生變化，線圈B中就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，這一變化的磁場(chǎng)就會(huì)在其附近空間產(chǎn)生出感生電場(chǎng)．A存在，這一感生電場(chǎng)作用于A，導(dǎo)致LED發(fā)光；A不存在，由于B線圈中的電流、磁場(chǎng)的作用方式未變，感生電場(chǎng)依然存在．因此，感生電場(chǎng)只依賴磁場(chǎng)的變化，而與周圍是否存在導(dǎo)體無關(guān)．

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3版).北京：人民教育出版社，2010.19～20

2 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.物理選修3-2教師教學(xué)用書(第4版).北京：人民教育出版社，2010.27～30

*系江西省中小學(xué)教育教學(xué)重點(diǎn)研究立項(xiàng)課題“物理教學(xué)中師生科學(xué)素養(yǎng)養(yǎng)成與創(chuàng)新能力同步發(fā)展研究”的研究成果.課題編號(hào)：ZD2014-035作者簡(jiǎn)介：席江華(1964- )，男，中教高級(jí)，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.