一種新型楞次定律演示裝置

彭玉峰 閆慧娟 張計(jì)才 秦朝朝

【摘要】本新型楞次定律演示裝置可以直觀地驗(yàn)證多個(gè)經(jīng)典的電磁理論定律，適合探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，符合現(xiàn)代教育中所提倡的提高動(dòng)手能力、觀察能力和分析問(wèn)題能力的教學(xué)理念。

【關(guān)鍵詞】楞次定律 演示裝置 磁場(chǎng)

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）48-0222-02

物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識(shí)、理論聯(lián)系實(shí)際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面具有其他實(shí)踐類課程不可替代的作用。物理課程中“楞次定律”的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常核心的實(shí)驗(yàn)[1]，在國(guó)內(nèi)外一直都是熱點(diǎn)之一[2-6]。楞次定律是德國(guó)物理學(xué)家海因里希·楞次1834年發(fā)表的，可表述為：閉合導(dǎo)線回路中出現(xiàn)的感應(yīng)電流，總是阻礙產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因。

目前，關(guān)于楞次定律的演示實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的做法是：矩形線圈分別豎直和水平通過(guò)具有穩(wěn)恒電流的長(zhǎng)直導(dǎo)線所在的豎直平面內(nèi)，分析線圈中感應(yīng)電流的變化；條形磁鐵在向通電螺線管勻速靠近或遠(yuǎn)離的過(guò)程中，閉合回路電流的變化；套有輕質(zhì)鋁環(huán)的軟鐵棒插入螺線管內(nèi)，并給螺線管通斷電流，觀察輕質(zhì)鋁環(huán)的運(yùn)行情況。由此可見(jiàn)，課堂演示形式較為單一，難以適應(yīng)新時(shí)期素質(zhì)教育的要求。

本實(shí)驗(yàn)裝置不僅便于學(xué)生動(dòng)手操作，非常直接的觀察到有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且能夠直觀的驗(yàn)證多個(gè)經(jīng)典物理理論定律，非常適合探究式實(shí)驗(yàn)，符合現(xiàn)代教育中所提倡的提高動(dòng)手能力、觀察能力和分析問(wèn)題能力的教學(xué)理念。

一、演示裝置介紹

多功能楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置如圖1-4所示。該裝置包括水平箱體和設(shè)置于水平箱體中部的豎直箱體，豎直箱體的一側(cè)設(shè)有顯示器、第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第一接線柱、第二接線柱、電源接口和通過(guò)絲線懸掛的金屬環(huán)，豎直箱體的內(nèi)部設(shè)有變壓器、二極管和電容器，同側(cè)的水平箱體上設(shè)有第一金屬棒，該第一金屬棒設(shè)置于金屬環(huán)的一側(cè)且在第一金屬棒上纏繞有第一線圈，第一線圈的輸出端和輸入端分別與第一接線柱和第二接線柱電性連接，第一接線柱通過(guò)第二開(kāi)關(guān)分別與電容器一側(cè)的電極和變壓器一側(cè)的輸出端電性連接，第二接線柱與電容器另一側(cè)的電極電性連接，變壓器另一側(cè)的輸出端依次通過(guò)第一開(kāi)關(guān)和二極管與電容器另一側(cè)的電極電性連接，變壓器的輸入端與電源接口電性連接，電源接口與市電電性連接，顯示器并聯(lián)于電容器的兩側(cè)；豎直箱體的另一側(cè)設(shè)有紅色LED燈、綠色LED燈、第三接線柱和第四接線柱，豎直箱體的內(nèi)部設(shè)有第一三極管、第一電源、第二三極管和第二電源，同側(cè)的水平箱體上設(shè)有水平軌道、與水平軌道滑動(dòng)配合的移動(dòng)小車和固定于水平軌道上的固定小車，移動(dòng)小車上設(shè)有磁條，固定小車上設(shè)有第二金屬棒、供電裝置、第三開(kāi)關(guān)、第五接線柱和第六接線柱，其中第二金屬棒上纏繞有第二線圈，該第二線圈的輸出端和輸入端分別與第三接線柱和第四接線柱電性連接或者分別與第五接線柱和第六接線柱電性連接，第三接線柱與第一三極管的B基極電性連接，第一三極管的C集電極依次與紅色LED燈和第一電源負(fù)極電性連接，第一電源正極分別與第四接線柱和第一三極管的E發(fā)射極電性連接，并且第三接線柱分別與第二三極管的E發(fā)射極和第二電源的正極電性連接，第二三極管的B基極與第四接線柱電性連接，第二三極管的C集電極依次與綠色LED燈和第二電源的負(fù)極電性連接，第五接線柱依次與供電裝置和第三開(kāi)關(guān)串聯(lián)后與第六接線柱電性連接。

二、演示裝置操作說(shuō)明

（一）驗(yàn)證楞次定律

將第一線圈的輸出端和輸入端分別與第一接線柱和第二接線柱連接，并且將電源接口與市電接通，閉合第一開(kāi)關(guān)給電容器充電，觀察與電容器并聯(lián)的顯示器示數(shù)至不再變化，斷開(kāi)第一開(kāi)關(guān)，閉合第二開(kāi)關(guān)，電容器放電，第一線圈瞬時(shí)產(chǎn)生大電流，其內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)磁場(chǎng)，通過(guò)絲線懸掛于豎直箱體上的金屬環(huán)此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生與第一線圈內(nèi)磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，這兩個(gè)相反的磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生電磁斥力，可以將金屬環(huán)彈出一定的距離，從而驗(yàn)證楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，同時(shí)由第一線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以驗(yàn)證電向磁的轉(zhuǎn)換。

（二）探究不同介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的影響

將第二線圈的輸出端和輸入端分別與第五接線柱和第六接線柱連接，閉合第三開(kāi)關(guān)，觀察移動(dòng)小車的運(yùn)行情況從而判斷此時(shí)第二線圈的磁感線方向，結(jié)合移動(dòng)小車上磁條的磁極方向，驗(yàn)證安培定則。另外更換不同材質(zhì)的第二金屬棒，重復(fù)上述操作，然后結(jié)合移動(dòng)小車的運(yùn)行情況探究不同介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)大小的影響。

（三）驗(yàn)證磁向電的轉(zhuǎn)化

將第二線圈的輸出端和輸入端分別與第三接線柱和第四接線柱連接，斷開(kāi)第三開(kāi)關(guān)，移動(dòng)小車向固定小車靠近或遠(yuǎn)離的過(guò)程觀察紅色LED燈和綠色LED燈的發(fā)光情況，從而可以獲知第二線圈中的電流方向，結(jié)合安培定則即可驗(yàn)證楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，同時(shí)由第二線圈中產(chǎn)生瞬時(shí)電流驗(yàn)證磁向電的轉(zhuǎn)化。

三、演示裝置使用前景

本演示裝置不僅可以在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)雜的研究性實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)一步推廣到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)，此外，還可以在社會(huì)上進(jìn)行電磁學(xué)有關(guān)知識(shí)的普及教育工作，對(duì)提高國(guó)民整體科學(xué)素養(yǎng)有著重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-1》，人民教育出版社，2014

[2]Roy M K， Harbola， Manoj K.， Verma， H.-C.， Demonstration of Lenzs law： Analysis of a magnet falling through a conducting tube. Amer. J. Phys.2007（8）：728-730

[3]Guerlin C； Delva P； Wolf P. Some fundamental physics experiments using atomic clocks and sensors. Com. Ren. Phys. 2015（5）：565-575

[4]張強(qiáng)，黃凱特.超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置[J].物理實(shí)驗(yàn)， 2014（10）：12-14

[5]楊春葉，劉貴興.利用磁鋼與鋁質(zhì)硬幣演示楞次定律 [J].物理實(shí)驗(yàn)，2008（10）：20-22

[6]韓靜波.簡(jiǎn)易楞次定律演示儀的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2008（9）：23-25.

致謝：本工作受到河南省教師教育課程改革研究項(xiàng)目計(jì)劃支持（項(xiàng)目號(hào)：2016-JSJYYB-019）。