用強(qiáng)力磁鐵自制高中物理演示實(shí)驗(yàn)兩例

陳 涵 陳 雪

(成都市新都一中 四川 成都 610500)

中學(xué)物理教學(xué)中不僅要求教師引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確掌握物理概念和規(guī)律，而且部分章節(jié)還要求通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)把要研究的物理現(xiàn)象展示在學(xué)生眼前，引導(dǎo)學(xué)生觀察，思考，總結(jié)規(guī)律，完善概念，使學(xué)生對(duì)物理學(xué)科有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)．教學(xué)過(guò)程也符合由感性到理性的認(rèn)識(shí)規(guī)律，學(xué)生在頭腦中不僅有定義和公式，而且有鮮明的物理表象[1]．然而由于實(shí)際條件限制，部分學(xué)校僅靠校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室所提供的有限器材無(wú)法很好地演示出教學(xué)所需的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．這種情況下，需要教師自制或者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，使之符合教學(xué)的要求．

1 楞次定律的“增反減同”規(guī)律演示實(shí)驗(yàn)

如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)是探究電磁感應(yīng)電流變化規(guī)律的一個(gè)比較經(jīng)典的課堂演示實(shí)驗(yàn)．利用了二極管的單向?qū)ㄐ院透袘?yīng)電流方向的規(guī)律，取顏色不同發(fā)光二極管兩只，按圖1連接成電路．當(dāng)磁鐵不斷進(jìn)入和離開(kāi)螺線管的時(shí)候，根據(jù)楞次定律的“增反減同”原理會(huì)看到紅燈和綠燈交替發(fā)亮．接下來(lái)我們以一種非常粗略的方式來(lái)推導(dǎo)一下螺線管中的電流和哪些因素有關(guān).

圖1 楞次定律演示實(shí)驗(yàn)

由法拉第電磁感應(yīng)定律

和歐姆定律

聯(lián)立可得通過(guò)該螺線管的電流為

(1)

如果假定螺線管上銅線的厚度可以忽略，設(shè)螺線管的半徑為r，導(dǎo)體長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面積為S，由電阻定律可知

結(jié)合線圈匝數(shù)

以及螺線管橫截面積

S=πr2

代入式(1)可得

(2)

由式(2)可知，通過(guò)螺線管的電流大小和導(dǎo)體的電阻率、橫截面積、螺線管的粗細(xì)、以及磁場(chǎng)變化的快慢有關(guān)．也就是說(shuō)在材料一定的情況下需要選取尺寸寬大的螺線管，繞線的導(dǎo)體需要盡量粗，或者加大磁場(chǎng)的變化率都可以讓感應(yīng)電流增大從而使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯．所以當(dāng)磁場(chǎng)的變化不夠快的情況下，設(shè)計(jì)出來(lái)的線圈往往體積較大(這也是筆者見(jiàn)過(guò)的一些關(guān)于該演示的實(shí)物器材大多具備的特點(diǎn))，演示的時(shí)候有可能不太方便．所以若要使得實(shí)驗(yàn)裝置更加小巧，就要考慮增加磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)讓磁場(chǎng)變化更快，這個(gè)時(shí)候就可以考慮使用體積小而磁性強(qiáng)的強(qiáng)力磁鐵了．

如圖2所示，用有絕緣漆包裹的細(xì)銅線纏繞一小段亞克力管(內(nèi)徑約15 mm)到匝數(shù)約3 000匝并在兩端裝兩個(gè)擋板加以穩(wěn)固，將兩個(gè)發(fā)光二極管(筆者采用了紅光和綠光的二極管)按圖示電路焊接到擋板上接線柱上．演示時(shí)將一到兩個(gè)圓柱形磁鐵(半徑10 mm,高10 mm放入或者拿出管中，就能看到紅色或者綠色的燈閃亮，也可以將磁鐵放入管中，用手指堵住管口來(lái)回?fù)u動(dòng)也能看到該現(xiàn)象．由于體積較小，該裝置可以在課堂演示的時(shí)候拿到講臺(tái)以下供學(xué)生觀看，效果更佳．

圖2 將兩個(gè)發(fā)光二極管焊接到接線柱上

2 探究通電導(dǎo)線安培力的大小與電流的關(guān)系的演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 常規(guī)辦法下該實(shí)驗(yàn)的困難

在高中物理教學(xué)中，探究安培力的大小和電流的關(guān)系是一個(gè)較難演示的實(shí)驗(yàn)．現(xiàn)以教科版高中《物理·選修3-1》的第三章第2節(jié)“探究安培力的大小與電流的關(guān)系的演示實(shí)驗(yàn)”為例，教材上提供的該實(shí)驗(yàn)裝置是將一線框通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)懸掛在蹄形磁鐵之間然后通電，用滑動(dòng)變阻器改變線框中電流的大小來(lái)探究安培力的大小和電流的關(guān)系．筆者發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)有以下難點(diǎn)：

(1)實(shí)際操作中安培力非常的微小，只能看到彈簧測(cè)力計(jì)指針稍稍動(dòng)一下，沒(méi)有辦法通過(guò)讀數(shù)顯示其變化的關(guān)系．

(2)由于蹄形磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)很小，如果盡量通過(guò)增大電流來(lái)增大安培力從而使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的話，那么線框的熱效應(yīng)會(huì)比較明顯而不利于操作．筆者在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，在電流達(dá)到2 A的時(shí)候已經(jīng)明顯感覺(jué)到線框發(fā)燙，此時(shí)安培力仍然不顯著．

2.2 對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

針對(duì)以上幾個(gè)問(wèn)題，筆者做出了如下改進(jìn).

(1)實(shí)驗(yàn)器材

強(qiáng)力磁鐵(長(zhǎng)×寬×高為:100 mm×50 mm×10 mm,電流表(0～0.6 A)，滑動(dòng)變阻器(0～100 Ω)，直流電源9 V，迷你電子秤(量程3 kg，精度0.1 g)，導(dǎo)體線框(長(zhǎng)寬約為80 mm×80 mm，約100匝，電阻約10 Ω)，鐵架臺(tái)，導(dǎo)線若干，支架等，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示．

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

(2)改進(jìn)原理

1)由于條件所致，無(wú)法使用亥姆霍茲線圈來(lái)產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)，所以選用磁性較一般磁鐵強(qiáng)得多的強(qiáng)力磁鐵代替，南北極相對(duì)放置在用亞克力材料預(yù)先做好的支架上(磁鐵間距為5 cm)，以求在兩個(gè)磁鐵的中間產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)更大磁場(chǎng)；

2)利用磁場(chǎng)較大的優(yōu)勢(shì)選擇較小電流防止線圈發(fā)熱過(guò)大；

3)因?yàn)樵谛赂倪M(jìn)的磁場(chǎng)中，線框在電流達(dá)到一定的大小的時(shí)候(1 A左右)會(huì)發(fā)生明顯抖動(dòng)(0.5 A左右則抖動(dòng)相對(duì)較輕)，并考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)由于人為因素造成線圈晃動(dòng)，導(dǎo)致懸掛線框的讀數(shù)裝置不能準(zhǔn)確的讀數(shù)，故將線框固定而測(cè)量裝有磁鐵的支架受到的安培力反作用力的方法來(lái)進(jìn)行探究；

4)依據(jù)上一步，選擇精度更高的壓力傳感器測(cè)量，由于當(dāng)時(shí)條件所致，所以筆者使用了便宜實(shí)用的迷你電子秤(精度0.1 g)，理論上能夠顯示出大約0.001 N的力的變化．

2.3 實(shí)驗(yàn)原理及其注意事項(xiàng)

(1)實(shí)驗(yàn)原理.如圖3所示，當(dāng)有電流通過(guò)線框時(shí)線框受到安培力，根據(jù)牛頓第三定律裝有磁鐵的支架就受到了安培力的反作用力，電子秤上就會(huì)顯示相應(yīng)的讀數(shù)．改變電流的大小，安培力發(fā)生變化，就可以通過(guò)讀數(shù)的變化探究安培力大小和電流的關(guān)系．

(2)注意事項(xiàng).由于兩塊磁鐵南北極相對(duì)時(shí)極容易粘合在一起而且很難分開(kāi)，放置的時(shí)候要加以注意．同時(shí)線框放入磁場(chǎng)時(shí)位置要合適，要讓線框的上半部分遠(yuǎn)離兩塊磁鐵之間的區(qū)域，防止磁鐵框上下因安培力方向相反發(fā)生抵消影響實(shí)驗(yàn)．

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)據(jù)處理

閉合開(kāi)關(guān)電子秤上就會(huì)有讀數(shù)顯示，通過(guò)滑動(dòng)變阻器改變電流大小(0.1 ～0.6 A)，將讀出的數(shù)據(jù)計(jì)入表1.

表1 讀出數(shù)據(jù)

將這些數(shù)據(jù)用Excel描點(diǎn)，并用一條平滑的直線連接得到圖4,可以看出安培力隨著電流的增大而增大，且在誤差允許的范圍內(nèi)成正比關(guān)系．此外筆者對(duì)于該實(shí)驗(yàn)在此裝置的基礎(chǔ)上做出了以下幾個(gè)進(jìn)一步的設(shè)想：

首先可以將線框設(shè)計(jì)成可變長(zhǎng)度的，或者使用多種規(guī)格的線框探究安培力和通電導(dǎo)體長(zhǎng)度的關(guān)系；其次可以制作多種規(guī)格的支架，改變兩個(gè)磁鐵間的距離以改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，探究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，這些都有待于以后的工作中繼續(xù)研究和探索．

圖4 Excel描點(diǎn)

3 結(jié)束語(yǔ)

自制物理教學(xué)中所需的器材，可以緩解硬件方面不足的矛盾，同時(shí)提升教師對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，更好地激發(fā)教師創(chuàng)意能力，提高科研能力．設(shè)計(jì)和使用教材上沒(méi)有的或者不一樣的實(shí)驗(yàn)用于課堂演示，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力，提升綜合素質(zhì)．