關于高中物理電磁學演示實驗的改進

劉 航

（鄭州外國語新楓楊學校，鄭州 450002）

高中物理學的學習除掌握基本理論知識以外，還包括大量的實驗課程，實現(xiàn)內容以理論知識的檢驗為主要目的。其中，相關電磁學部分知識在學習過程中具有一定的抽象性，為此，則需要通過實驗的方法對其進行深入了解，基于傳統(tǒng)電磁學演示實驗方面存在的諸多問題，可以對其進行創(chuàng)新，以發(fā)揮電磁學演示實驗的最佳效果，提高我們高中生對電磁學基礎理論知識的掌握能力。

1 高中物理電磁學演示實驗的意義

在物理學習過程中，各種類型的演示實驗讓我們更加深入的了解到了物理知識在生活中的應用，直至今日，即便是計算機模擬物理實驗軟件已經(jīng)普及，但是，相比較來說，基于現(xiàn)實操作的物理實驗效果并不能夠因此被取代，尤其是對于理論知識較為復雜、抽象的電磁學來說，通過演示實驗的方式，能夠是我們更加形象的了解電磁學的概念與作用規(guī)律，同時養(yǎng)成良好的物理現(xiàn)象觀察能力與分析能力。

通過物理電磁學演示實驗，我們的動手能力得到加強，并能夠根據(jù)自身所掌握的電磁學知識，在傳統(tǒng)電磁學演示實驗的基礎上進行改進，進而具備一定的電磁學實驗創(chuàng)新能力。

2 靜力場中帶電體的受力實驗

按照物理課程的安排，靜力場中帶電體的受力實驗需要電源、U型磁鐵、光滑導軌、開關、導線等相關實驗器材，實驗效果圖如下所示：

圖1 靜力場中帶電體的受力實驗

為能夠實現(xiàn)該演示實驗內容的豐富，利用已經(jīng)學到的電磁學相關知識，可以對其進行一系列的改進。首先，由圖1可知，U型磁鐵所產(chǎn)生的磁場是在各個位置方向、大小穩(wěn)定的靜力場，根據(jù)電磁感應原理，該靜力場可以由交流線圈產(chǎn)生，具體如圖2所示。蹄形磁鐵周圍的電磁場分布并不十分均勻，我們在高中學習中將N極與S極之間的電磁線進行了理想化處理，從而在理論上認為通電導體位于自上而下（自下而上）的均勻垂直電磁線矩陣中，但這樣會使實驗結論大打折扣。因此將U型磁鐵替換成筒狀的電生磁結構，能夠減少非均勻、不垂直電磁線對通電導體運動的影響。

圖2 改進后演示實驗模型

另外，利用非固定產(chǎn)磁物質進行磁場模擬，可以利用電流表對通電磁場的強弱進行調節(jié)。根據(jù)F=BIL可知，當通電導體周圍磁場強度B出現(xiàn)變化時，其運動速度將出現(xiàn)明顯變化。借此實現(xiàn)通電導體棒在不同強度磁場中的受力偏轉情況，有利于探討由電源大小和方向改變對通電導體產(chǎn)生的一系列影響。

對于靜力場對通電導體作用力的演示實驗改進，能夠將電磁感應原理的相關內容融入其中，并且，根據(jù)線圈中的電流方向的不同，確認磁場方向與通電導體電流方向之間的關系。

為確保實驗安全，在設計線圈的過程中，需要用絕緣性能良好的漆包線，且通電電流應當由小變大，滿足演示實驗條件即可，避免電流過大擊穿絕緣介質帶來的危險。

3 電磁場的渦流熱效應實驗

在以往的電磁學演示試驗中，多以變壓器內部鐵芯溫度的變化來說明渦流熱效應，然而，由于變壓器本身的設計問題，其鐵芯的升溫并不明顯，因此，基于變壓器的渦流熱效應實驗效果較差。為解決這一問題，我們可以模擬變壓器的工作原理，制作更加簡易的渦流效應演示實驗模型，以提高演示實驗效果。

首先，在絕緣圓柱筒外側按照一定方向緊密環(huán)繞漆包線；其次，截成相同長度的鐵絲放入螺線管內，以其充當鐵芯的角色；第三，將漆包線的兩端與市電（220V/50Hz）相連；第四，取兩杯放有冰水混合物的不銹鋼杯，一杯安放在螺線管上，一杯放在螺線管旁邊作為對照。

實驗發(fā)現(xiàn)，放置于螺線管上不銹鋼杯內的冰塊迅速融化，并在幾分鐘后出開始沸騰，作為對照物的不銹鋼杯中的冰水混合物卻并沒有發(fā)生明顯變化。由此可見，在沒有直接接觸的情況下，利用電磁場在不銹鋼杯中形成的渦流熱效應對水進行加熱。

然而，對于鐵絲的作用，其作用是為了提高磁通量，加強對磁場的約束力，從而實現(xiàn)電能到熱能的最大轉化。為對比其效果，可以將螺線管中的鐵絲抽去，在接入同樣市電的情況下，不銹鋼杯中的冰水混合物則需要更長的時間才能夠沸騰。因此，在變壓器中安放鐵芯的目的也在于此，提高變壓器的磁通量，以降低能量損耗。

4 發(fā)電機原理演示實驗的改進

在日常生活中，為避免電力中斷導致的各種問題，人們根據(jù)電磁感應原理研究出了發(fā)電機，其中，對于發(fā)電機的原理，則主要是通過演示實驗進行學習的，然而，傳統(tǒng)的發(fā)電機演示實驗模型過于簡單，需要借助電壓表、電流表等儀器來感知微弱的電壓、電流變化，缺乏更加直觀的實驗效果。

為此，可以在原有演示實驗模型的基礎上進行如下改進：

為更加直觀的看到發(fā)電機的發(fā)電效果，這里在設計線圈的過程中使用了多級線圈，以增加切割磁力線過程中的電流，并將需要觀察數(shù)值變化的電壓表、電流表更換為更加直觀的電燈泡、蜂鳴器。通過調整線圈轉速、線圈級數(shù)等參數(shù)，可以通過電燈泡的亮度和蜂鳴器的響度來發(fā)現(xiàn)其中存在關系。

將一根閉合切割磁感線的線圈增加為兩根及以上，能夠使閉合電路中的“磁省電”過程更直觀，但在操作中如何將兩根閉合線圈的外部電路無縫對接還存在問題，諸如“兩根閉合線圈間是否因空氣縫隙對電流產(chǎn)生量造成影響？”、“閉合線圈間是否能對接完全？”等等。因此，該實驗也可以在靜力場中帶電體的受力實驗上進行改進：通過將發(fā)電機的磁場來源替換為電生磁管，一方面可以使閉合線圈所受電磁場強度能夠得到定量化的控制，進而對不同電磁場強度B對磁生電的影響；另一方面，在不改變閉合線圈繞轉方向的前提下，使能夠隨時改變磁場方向，進而可以反映出磁場方向變化對電流方向變化的影響。

圖3 發(fā)電機演示實驗改進示意圖

5 總結

電磁學是高中物理知識體系中較為抽象的內容之一，為更好地了解電磁學理論知識，教材中列舉了大量的演示實驗。對于我們高中生來說，認識和掌握電磁學演示實驗僅僅是基礎，為加深對電磁學相關知識的理解，還需要利用已經(jīng)學過的知識，創(chuàng)新電磁學演示實驗的設計形式，使其更加直觀、有效，同時提高了自身對電磁學知識體系的綜合應用能力。