磁通量的變化率演示儀

何艷紅 黃春如

（1.江西省樟樹(shù)中學(xué)，江西樟樹(shù) 331200；2.江西省樟樹(shù)第三中學(xué)，江西樟樹(shù) 331200）

磁通量的變化率演示儀

何艷紅1黃春如2

（1.江西省樟樹(shù)中學(xué)，江西樟樹(shù) 331200；2.江西省樟樹(shù)第三中學(xué)，江西樟樹(shù) 331200）

隨著科技的發(fā)展，新材料、新技術(shù)為教具制作提供了更廣闊的空間，一些道不明、難講清的概念，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助，可使抽象的概念具體化.磁通量的變化率演示儀就是這樣的一個(gè)制作案例，學(xué)生通過(guò)具體的演示實(shí)驗(yàn)，不僅能很好地理解磁通量、磁通量的變化和磁通量的變化率之間的關(guān)系，還能啟迪學(xué)生探究問(wèn)題的思路和方法，培養(yǎng)其觀察現(xiàn)象、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、形成結(jié)論的能力.師生共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，一起邊制作邊實(shí)驗(yàn)探究，既培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，更能進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

磁通量；變化；變化率；演示儀

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是電磁學(xué)發(fā)展史上又一個(gè)重要成就，它進(jìn)一步揭示了自然界電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促進(jìn)了電磁理論的發(fā)展，為麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使現(xiàn)代工業(yè)、電工和電子技術(shù)得以建立和發(fā)展，對(duì)人類(lèi)社會(huì)有著劃時(shí)代的貢獻(xiàn).

法拉第電磁感應(yīng)定律是這一劃時(shí)代貢獻(xiàn)中的重要規(guī)律，它揭示了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生依賴(lài)于磁通量的變化，而其大小取決于穿過(guò)電路的磁通量的變化率.在實(shí)際的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生是由磁通量的變化引起的容易接受，而對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率的關(guān)系卻難以理解.

為了在教學(xué)中較好的克服上述難點(diǎn)，我們制作了“磁通量的變化率演示儀”輔助教學(xué)，收到了很好的教學(xué)效果，現(xiàn)介紹如下.

1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

圖1

圖1 為演示儀的實(shí)驗(yàn)原理示意圖.線圈通過(guò)引線與反向并接的紅、藍(lán)顏色的LED相連.磁鐵正對(duì)線圈從位置A運(yùn)動(dòng)到位置C（或從位置B運(yùn)動(dòng)到位置C），必然引起線圈中的磁通量發(fā)生變化，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).由于紅色LED發(fā)光所需工作電壓不小于1.8V，藍(lán)色LED發(fā)光所需工作電壓不小于2.0V，因此，當(dāng)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到或超過(guò)相應(yīng)數(shù)值時(shí)，LED閃亮.這樣，我們就可借助LED是否閃亮來(lái)判斷線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的量值，進(jìn)而達(dá)到研究磁通量的變化量的大小，磁通量的變化率的大小與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系的目的，即怎樣的操作將引起LED閃亮.

2 實(shí)驗(yàn)器材及裝配圖

運(yùn)動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生光亮的兒童玩具滑板上的滑輪1個(gè)（取其中的線圈）.將滑輪外殼切開(kāi)，小心取出其中的線圈；外徑為2cm的圓形釹鐵硼強(qiáng)磁鐵3小塊（疊加組合成一強(qiáng)磁體）；內(nèi)徑2cm的PVC塑料管一小段（將釹鐵硼強(qiáng)磁鐵置于其中，便于提拿）；紅、藍(lán)LED發(fā)光二極管2枚，將其并接后焊接在從滑輪中取出的線圈兩端.實(shí)物如圖2中的A、B，裝配圖如圖2中的C所示.

圖2

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

演示者站立，左手拿線圈置于與腰部平齊部位，并使線圈平面水平.右手拿鑲嵌有釹鐵硼強(qiáng)磁鐵的PVC管.依據(jù)圖1實(shí)驗(yàn)原理示意圖的方式進(jìn)行如下操作.

（1）使磁鐵從位置A緩慢移到位置C，AC間的間距約15～20cm，觀察LED有無(wú)亮光.

（2）使磁鐵從位置B快速移到位置C，BC間的間距約8～10cm，觀察LED有無(wú)亮光.

（3）使磁鐵從位置C緩慢移到位置A，觀察LED有無(wú)亮光.

（4）使磁鐵從位置C快速移到位置B，觀察LED有無(wú)亮光.

結(jié)論1：磁鐵從位置A緩慢移到位置C時(shí)，LED無(wú)亮光.磁鐵從位置B快速移到位置C時(shí)，紅色LED閃亮.

結(jié)論2：磁鐵從位置C緩慢移到位置A時(shí)，LED無(wú)亮光.磁鐵從位置C快速移到位置B時(shí)，藍(lán)色LED閃亮.

圖3

結(jié)論及原因分析：磁鐵從位置A緩慢移到位置C，或從位置C緩慢移到位置A，引起線圈中的磁通量的變化量，比較磁鐵快速?gòu)奈恢肂移到位置C，或從位置C移到位置B要更大，但線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)卻小于引起LED閃亮的臨界值.磁鐵從位置B快速移到位置C，或從位置C快速移到位置B，引起線圈中的磁通量的變化量，比較磁鐵緩慢從位置A移到位置C，或從位置C移到位置A要更小，但線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反而大于引起LED閃亮的臨界值，導(dǎo)致紅、藍(lán)LED閃亮.

法拉第電磁感應(yīng)定律告訴我們，閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過(guò)這一電路的磁通量的變化率成正比.可見(jiàn)，電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，并不取決于磁通量變化量的大小，而是決定于磁通量的變化率.要想從直觀上反應(yīng)出磁通量的變化率與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)間的關(guān)系，可采用控制變量的研究方法：對(duì)同一個(gè)線圈而言，當(dāng)磁鐵從某一位置A變化到某一位置C時(shí)，引起線圈中磁通量的變化量是一定的.這樣，磁通量的變化率就由對(duì)應(yīng)的變化時(shí)間來(lái)決定.因而磁通量的變化率的大小，取決于線圈中磁通量變化所需的時(shí)間（磁通量的變化量一定），取決于磁鐵對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的多少，即磁鐵運(yùn)動(dòng)的快慢決定了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，從而決定了LED是否閃亮.這樣，二極管是否閃亮就和磁通量的變化率有機(jī)地結(jié)合在了一起.

磁鐵從A運(yùn)動(dòng)到C，引起線圈中的磁通量的變化量大，但過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，磁通量的變化率小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小，LED不亮；磁鐵從B運(yùn)動(dòng)到C，引起線圈中的磁通量的變化量雖然小，但過(guò)程時(shí)間短，磁通量的變化率反而更大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)更大，導(dǎo)致LED閃亮.

應(yīng)用該演示實(shí)驗(yàn)，在幫助學(xué)生強(qiáng)化對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化率關(guān)系的理解的同時(shí)，還可以：（1）應(yīng)用LED的單向?qū)щ娦?，進(jìn)一步驗(yàn)證楞次定律的內(nèi)容.若磁鐵運(yùn)動(dòng)引起線圈中的磁通量增強(qiáng)（磁鐵靠近線圈）、導(dǎo)致磁通量的變化率達(dá)到一定量值時(shí)，引起紅色LED閃亮，則磁鐵運(yùn)動(dòng)引起線圈中磁通量減?。ù盆F遠(yuǎn)離線圈）、導(dǎo)致磁通量的變化率超過(guò)藍(lán)色LED閃亮的臨界值時(shí)，必引起藍(lán)色LED閃亮.（2）LED閃亮，必有電源給其供電，這個(gè)電源必是與LED相連的線圈，可幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解廣義的電源，思考這一電源中哪一種作用扮演了非靜電力的角色，為下一節(jié)感生電場(chǎng)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).

該演示儀操作簡(jiǎn)便，LED是否閃亮可更好地幫助學(xué)生判斷線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，有利于學(xué)生更好地區(qū)分磁通量、磁通量的變化量與磁通量的變化率的關(guān)系，從而達(dá)到更好地理解法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容.

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū).物理選修3－2（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2010：1－20.

2 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū).物理選修3－2教師教學(xué)用書(shū)（第4版）人教版［M］.北京：人民教育出版社，2010：14－30.

2017－02－12）

本文為中國(guó)教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)全國(guó)物理教育科研重點(diǎn)立項(xiàng)課題“低成本物理實(shí)驗(yàn)研究及教具制作”的研究成果之一（課題編號(hào)WLJY－2013ZD－013）.