自制磁通量變化演示器

山東省萊蕪市第一中學(xué) 朱章華

一、磁通量變化演示器的提出

磁通量是中學(xué)物理中重要的物理概念，同時(shí)這一概念也非常抽象，老師不好講，學(xué)生不好理解。究其原因是磁感線看不見、摸不著，面積的變化的理解還需要較強(qiáng)的三維想象能力，導(dǎo)致這個(gè)概念在教和學(xué)中遇到了很大的困難。為此我研發(fā)了用激光柱來(lái)代替磁感線的一套“磁通量變化演示器”。

二、磁通量變化演示器的結(jié)構(gòu)說明

面積板如圖1所示。面積板中心是有機(jī)玻璃（亞克力），亞克力邊緣用鋁框固定綠色LED燈帶，燈帶需要12V恒流電源，為了避免電源線的纏繞，需要圖示的銅刷和彈簧片配合，接線柱接12V電源。支撐板固定在圖2的亞克力容器的外殼上。圖1的右側(cè)有搖把，可以旋轉(zhuǎn)整個(gè)面積板，用來(lái)改變面積板和磁感線的夾角。亞克力容器如圖2所示，容器正當(dāng)中是門，門的左右兩側(cè)有支撐孔，把圖1的裝置安裝在容器里。

激光源采用的是激光筆，它帶有激光旋轉(zhuǎn)頭，可以調(diào)出各種圖案，可以出現(xiàn)密集和稀疏的斑點(diǎn)，正好供我們模擬磁感線使用。其缺點(diǎn)是：1.功率比較低，所以我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的時(shí)候要加上煙霧才能看到光柱；2.需要用手拿著。另外一種方案是采用9個(gè)激光頭，功率增加，間隔均勻鑲嵌在亞克力的容器上面。好處就是不用手拿著，比單個(gè)激光柱的功率大些，煙霧小一些就行。

圖1 面積板的結(jié)構(gòu)

圖2 亞克力容器

三、磁通量變化演示器的演示方法

（一）磁通量概念簡(jiǎn)介

設(shè)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)與磁場(chǎng)方向垂直的平面 (圖 3)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B ，平面的面積為S ，我們定義磁感應(yīng)強(qiáng)度B與面積S的乘積，叫作穿過這個(gè)面積的磁通量，如果用Φ表示磁通量，則Φ=BS。磁通量的意義可以用磁感線形象地加以說明。我們知道，在同一磁場(chǎng)的圖示中，磁感線越密的地方，也就是穿過單位面積的磁感線條數(shù)越多的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)B越大。因此，B越大，S越大，穿過這個(gè)面的磁感線條數(shù)就越多，磁通量就越大。如果平面跟磁場(chǎng)方向不垂直，我們可以做出它在垂直于磁場(chǎng)方向上的投影平面。從圖4可以看出，穿過斜面和投影面的磁感線條數(shù)相等，即磁通量相等。

圖3 面積和磁感線垂直的情形

圖4 面積和磁感線有銳角的情形

（二）演示平面方向變化與磁通量變化關(guān)系的操作步驟

1.取少量的煙霧餅，并將其點(diǎn)燃，放入容器，關(guān)閉容器小門。如果沒有煙霧餅可以用點(diǎn)香產(chǎn)生的煙霧代替，注意不要讓香火接觸或靠近亞克力板，否則會(huì)損壞亞克力板。

2.給綠色LED燈帶通電，點(diǎn)亮面積板。

3.調(diào)試激光燈，使其發(fā)出點(diǎn)陣光斑，從上面射入（也可以加凸透鏡使其成為平行光），讓學(xué)生從上面和側(cè)面觀察。

調(diào)節(jié)激光燈柱，調(diào)節(jié)出密集和稀疏的激光斑點(diǎn)，學(xué)生可以看到同一面積，激光柱不同，驗(yàn)證磁通量和磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。

4.旋轉(zhuǎn)搖把，讓學(xué)生仔細(xì)觀察激光柱通過面積板的變化情況，理解磁通量和面積的關(guān)系。

（三）演示切割磁感線的情況

1.重復(fù)上面的1～3步驟。

2.讓激光燈從上面照射面積板，學(xué)生仔細(xì)觀察面積板的四個(gè)邊緣切割磁感線的情況。

3.讓激光燈從側(cè)面照射面積板，學(xué)生仔細(xì)觀察面積板的四個(gè)邊緣切割磁感線的情況。

四、磁通量變化演示器的效果

1.演示器用綠色LED照亮亞克力做成的面積板，綠色光充滿亞克力板子，散射出來(lái)的光線，讓我們能清楚看見面積板的位置和大小。圖5是做好的演示器。

圖5 做好的演示器

2.演示用的激光柱采用小功率的筆式激光燈，它可以發(fā)出不同的斑點(diǎn)，但是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)用到的光柱的距離比較短，可以幾乎不用考慮這個(gè)問題。如果比較在意，可以用凸透鏡匯聚一下，但是不容易買到面積這么大的凸透鏡。用激光筆的好處是可以任意調(diào)整入射的位置。

3.紅綠光交叉顯示，顯示效果對(duì)比好。