用水煮亮LED燈

畢 亮

(綠春縣第一中學(xué)，云南 綠春 662599)

人教版《物理》(選修3-2)“電磁感應(yīng)”一章的“渦流”內(nèi)容，教材編者沒(méi)有設(shè)計(jì)、安排相關(guān)實(shí)驗(yàn)[1]. 為了讓學(xué)生容易學(xué)習(xí)和接受渦流這一知識(shí)，教材搭配了幾幅精美插圖，對(duì)渦流在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用做了展示. 盡管如此，由于渦流概念較為抽象，學(xué)生的認(rèn)知難度大. 在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師為了便于學(xué)生建構(gòu)渦流概念，通常會(huì)使用電磁爐演示渦流實(shí)驗(yàn). 但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)成本過(guò)高，實(shí)驗(yàn)過(guò)于繁雜，過(guò)于乏味.

電磁爐具有空載、負(fù)荷異常等自動(dòng)保護(hù)功能，在使用電磁爐做渦流實(shí)驗(yàn)時(shí)必須使用鐵質(zhì)鍋具. 對(duì)于線圈的選擇，許多人選用鐵絲、漆包線及電線等，既不經(jīng)濟(jì)，又脫離了渦流的本質(zhì)——因?yàn)闇u流是在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生像水中旋渦一樣的電流. 為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，有人選用220 V的燈泡，實(shí)驗(yàn)存在一定的潛在危險(xiǎn).

為了安全起見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)選用發(fā)光二極管即LED燈. 發(fā)光二極管只能通過(guò)較小的電流，不能承受大電流，因此可以選用廢棄的鋁質(zhì)易拉罐代替線圈，既可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，也能更好地體現(xiàn)渦電流的本質(zhì). 為了提高趣味性，可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備放入水中. 鍋具底部不要放絕緣材料原因是：易拉罐和鍋具中都會(huì)產(chǎn)生渦流；鍋具的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁的電阻率；易拉罐和鍋具的“接觸電阻”較大，因此，不會(huì)出現(xiàn)發(fā)光二極管被鍋具短路的情形.

1 用水煮亮LED燈

實(shí)驗(yàn)器材：1個(gè)鋁制易拉罐、1把鐵皮剪(普通剪刀也可)、1個(gè)3 mm的發(fā)光二極管LED元件、1只小型不銹鋼盆、少量自來(lái)水、1個(gè)電磁爐.

實(shí)驗(yàn)步驟：

1)用鐵皮剪將易拉罐底部和頭部剪去，沿著罐身的傾斜方向剪成圖1所示的形狀.

圖1 剪裁的易拉罐

2)將“易拉罐”的2個(gè)“接頭”向后彎折，把LED燈的2只腳安在2個(gè)“接頭”上，并向后彎折2只腳. 由于“易拉罐”有彈性會(huì)繃緊，LED燈與2個(gè)“接頭”接觸良好，且不易松動(dòng)掉，如圖2所示.

圖2 連接LED

3)在不銹鋼盆中裝入水，盆中的水要淹沒(méi)LED燈.

4)把不銹鋼盆放在電磁爐上.

5)按下電磁爐開(kāi)關(guān)，使電磁爐處于燒水狀態(tài)，并將功率調(diào)至最低.

6)把“實(shí)驗(yàn)設(shè)備”放入盛水的不銹鋼盆中，看到LED不發(fā)光，或者發(fā)出微弱的光(取決于“易拉罐”的高度，將“易拉罐”等效成無(wú)數(shù)個(gè)線圈，“易拉罐”越高，等效圈數(shù)相對(duì)越多).

7)不斷調(diào)高電磁爐的功率. 看到LED由不發(fā)光變?yōu)榘l(fā)光，且逐漸變亮，或者看到越來(lái)越亮. 實(shí)驗(yàn)效果見(jiàn)圖3.

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)解釋?zhuān)?/p>

電磁爐中有1盤(pán)線圈(圖4)，通交流電后，線圈中變化的電流在周?chē)臻g產(chǎn)生變化的磁場(chǎng). 由于電磁感應(yīng)，“易拉罐”中產(chǎn)生渦電流. 為了給學(xué)生解釋清楚，可以建立這樣的模型：將電磁爐中的線圈簡(jiǎn)化為1個(gè)方形線圈，“易拉罐”也簡(jiǎn)化為1個(gè)方形線圈，如圖5所示. LED燈雖然具有單向?qū)щ娦裕?但通過(guò)它的感應(yīng)電流的頻率等于220 V交流電的頻率即50 Hz，雖然LED燈不停地熄滅又點(diǎn)亮，但由于人眼的視覺(jué)暫留，看到LED燈“持續(xù)”發(fā)光.

圖4 電磁爐線圈

圖5 實(shí)驗(yàn)原理的簡(jiǎn)易模型示意圖

2 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)既增加了學(xué)生對(duì)渦流的理解，建構(gòu)了渦流概念，又加深了對(duì)電磁感應(yīng)的理解. 在物理教學(xué)中，教師開(kāi)發(fā)一些物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維.