楞次定律綜合實(shí)驗(yàn)儀

葉 澤,王 靜

(云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

在中學(xué)物理教學(xué)中，觀察和實(shí)踐是幫助學(xué)生掌握物理知識(shí)、形成物理觀念的基礎(chǔ)和重要手段. 教材[1]楞次定律一節(jié)是聯(lián)系電場(chǎng)和磁場(chǎng)的紐帶，其中，對(duì)楞次定律的理解和掌握是教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn). 但是關(guān)于楞次定律設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，電流的方向顯示不直觀，學(xué)生分析物理現(xiàn)象具有一定困難. 其次，教材中的演示實(shí)驗(yàn)比較單一，造成學(xué)生對(duì)楞次定律的理解不深入、不準(zhǔn)確.針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)制作了楞次定律綜合實(shí)驗(yàn)儀，利用該實(shí)驗(yàn)儀可以完成導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、小組實(shí)驗(yàn)和課外拓展實(shí)驗(yàn).

1 楞次定律綜合實(shí)驗(yàn)儀

楞次定律綜合實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示，LED燈珠示流儀模塊可用于楞次定律的導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)、 演示實(shí)驗(yàn)的講解， 亦可探究感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān). 鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)K可用于學(xué)生進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn). 可控電磁炮模塊則用于學(xué)生的課外拓展實(shí)驗(yàn).

圖1 楞次定律綜合實(shí)驗(yàn)儀

2 實(shí)驗(yàn)儀器支架的制作

將1塊50 cm×60 cm的積木板根據(jù)尺寸要求打出4個(gè)長(zhǎng)方形的口，用于插入前后面板，并鉆出孔洞用于加裝角鐵來(lái)固定前后面板的底腳.

在積木板的四角按尺寸要求打出3 cm×3 cm的方孔，用于把方木條插入其中作為立柱，立柱上加裝不同規(guī)格的玻璃夾，用于固定4個(gè)面板的側(cè)面.與此同時(shí)，4個(gè)立柱的腳用角鐵加裝螺絲固定，立柱的上方做成如圖2(a)的隼口，用于固定側(cè)梁和橫梁.橫梁做成如圖2(b)所示的隼口，側(cè)梁做成如圖2(c)所示的隼口.

(a)立柱 (b)橫梁 (c)側(cè)梁圖2 積木板支架的制作

3 自制LED燈珠示流儀

3.1 所需材料

紅色和藍(lán)色的LED燈珠、運(yùn)算放大器UA741CP、電位器、9 V電池2只、自繞線圈1卷(帶香蕉插頭)、微安表1只，毫安表1只、圓柱形強(qiáng)磁鐵1根(標(biāo)清南北極)、強(qiáng)磁鐵支架2個(gè)、雙刀雙擲開(kāi)關(guān)1個(gè)、單刀開(kāi)關(guān)2個(gè).

3.2 制作方法

將如圖3所示的智能小車(chē)改裝，加裝2只電池盒，并將強(qiáng)磁鐵支架固定在小車(chē)上，再在小車(chē)上加裝2個(gè)單刀開(kāi)關(guān).

圖3 改裝的小車(chē)

將UA741CP及電阻、電位器按如圖4所示的電路圖焊接在5 cm×7cm的電路板上. 將紅色和藍(lán)色的LED燈珠焊接于箭頭形狀的銅絲上備用，再將2塊亞克力板按照不同的裁剪規(guī)格裁剪完成備用，把電路板、電池盒，微安表和毫安表安裝在內(nèi)層亞克力板上，然后把雙刀雙擲開(kāi)關(guān)和箭頭燈安裝在外層亞克力板上，并將電路連接完整，

圖4 電路圖

之后用18 mm的沉頭內(nèi)六角螺絲將2塊亞克力板固定在一起，最后將整體的亞克力板插入提前裝備好的前面板玻璃夾中，并用M8內(nèi)六角螺絲固定.

將線圈支架安裝在底座上，并把線圈固定在支架上，連接好線路. 將改裝后的小車(chē)放在3 cm厚、50 cm長(zhǎng)的泡沫板上，組裝后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.

圖5 LED燈珠示流儀

3.3 使用方法

1)打開(kāi)前面板后的電源開(kāi)關(guān).

2)取出圓柱形強(qiáng)磁鐵，固定在小車(chē)上，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，小車(chē)啟動(dòng)，載著磁鐵插入線圈，便可看到燈珠顯示電流方向，此時(shí)可探究感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān).

3)撥動(dòng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，使線圈與運(yùn)算放大器模塊相連接，并且通過(guò)毫安表和LED發(fā)光二極管相連接.

4)啟動(dòng)小車(chē)，小車(chē)載著磁鐵N極插入線圈，對(duì)應(yīng)的左側(cè)紅燈亮，顯示了感應(yīng)電流的方向，并能觀察到毫安表指針左偏. S極插入則相反.

5)撥動(dòng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，使內(nèi)置線圈直接與雙向微安表相連，再次啟動(dòng)小車(chē)，N極插入，記錄指針偏轉(zhuǎn)情況.

6)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)短接毫安表，學(xué)生能明顯地觀察到燈珠亮滅情況，可知感應(yīng)電流方向，從而歸納得出楞次定律.

結(jié)論：紅藍(lán)燈是反向并聯(lián)在一起的，而磁鐵在插入和拔出時(shí)，不同的箭頭燈亮，說(shuō)明原磁場(chǎng)的方向和磁通量的變化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向有差異，感應(yīng)電流通過(guò)放大電路放大后驅(qū)動(dòng)LED燈珠的閃爍來(lái)顯示感應(yīng)電流方向，方便學(xué)生觀察，容易歸納得出楞次定律.

4 自制鋁環(huán)小實(shí)驗(yàn)

4.1 所需材料

電熱水龍頭鋁圈裝飾環(huán)2個(gè)、厚鋁環(huán)2個(gè)、2根木條(中點(diǎn)打孔，粗木條中點(diǎn)孔加大頭針)，2根0.38 mm的簽字筆筆芯(其中1根去筆尖)，支撐底座1個(gè).

4.2 制作方法

將1個(gè)電熱水龍頭鋁圈裝飾環(huán)剪開(kāi)1條縫，也將1個(gè)厚鋁環(huán)鋸開(kāi)1條縫，在2根粗細(xì)木條中點(diǎn)處打孔，其中粗木條中點(diǎn)孔加1顆大頭針，找2根0.38 mm的簽字筆筆芯，把其中1根筆芯去筆尖，支撐底座固定于上面板的雪弗板上. 把2個(gè)細(xì)鋁環(huán)分別固定于細(xì)木條的兩端，2個(gè)粗鋁環(huán)也固定于粗木條的兩端. 自制鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示.

圖6 鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置圖

4.3 使用方法

首先把較薄較輕的小鋁環(huán)、橫梁、強(qiáng)磁鐵(已標(biāo)清南北極)以及支架發(fā)給學(xué)生，讓其按照教師要求做自主探究實(shí)驗(yàn). 學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)完成后，教師先進(jìn)行薄鋁環(huán)的實(shí)驗(yàn)，與學(xué)生核對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論，之后教師進(jìn)行厚鋁環(huán)的實(shí)驗(yàn)，得出與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相反的現(xiàn)象，在此，教師進(jìn)行知識(shí)的拓展，啟發(fā)學(xué)生預(yù)習(xí)渦流的內(nèi)容，嘗試解決疑問(wèn)，為渦流教學(xué)埋下伏筆.

結(jié)論：鋸開(kāi)1條縫的粗鋁環(huán)也能與磁鐵發(fā)生相互作用，這是由于產(chǎn)生渦流的原因.

5 可控電磁炮實(shí)驗(yàn)

5.1 所需材料

自繞線圈、線圈支架1個(gè)、大號(hào)吸管1只、自制炮彈若干、氣球、透明塑料、水管固定夾1個(gè)、數(shù)顯電壓表1個(gè)、船型開(kāi)關(guān)2個(gè)、自制可調(diào)電源模塊、電容、升壓模塊、亞克力板.

5.2 制作方法

將可調(diào)電源和升壓模塊固定于亞克力盒子上，并把電壓表也固定于亞克力盒子頂部，同時(shí)將2個(gè)開(kāi)關(guān)固定于后面板上，自繞的電磁炮線圈固定在支架上，并將所有線路連接完整，最后把透明塑料制作為桶狀，用于裝氣球，充當(dāng)靶子. 可控電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示.

圖7 可控電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置圖

5.3 使用方法

將電源插頭插入220 V的交流電插板中，打開(kāi)充電開(kāi)關(guān)，觀察電壓表示數(shù)，使電壓表示數(shù)達(dá)160 V，再將自制炮彈裝填入炮管中，連接加長(zhǎng)炮管，并把充氣氣球裝入靶桶中. 打開(kāi)發(fā)射開(kāi)關(guān)，氣球應(yīng)聲而破. 提醒學(xué)生觀察此時(shí)電壓表的示數(shù)變化情況，反映的饋電現(xiàn)象.

結(jié)論：瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)電流通過(guò)線圈，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，并作用于炮彈上的小線圈，彼此相互作用，而使炮彈飛出，并擊爆氣球，反映了能量的守恒性，并讓學(xué)生嘗試解釋作用原理及饋電現(xiàn)象，啟發(fā)學(xué)生預(yù)習(xí)互感的內(nèi)容.

6 結(jié)束語(yǔ)

利用創(chuàng)造技法中的組合法，將3個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)結(jié)合，并通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，從細(xì)節(jié)上進(jìn)行了改良，實(shí)驗(yàn)效果明顯，特別是可控電磁炮的設(shè)計(jì)部分，該設(shè)計(jì)使得威力巨大、方向難以控制的電磁炮炮彈頭變成了可控的彈頭，在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，可以在教室演示的可控電磁炮，小小電磁炮爆發(fā)出的威力給學(xué)生以震撼，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)課堂效果和感染力. 同時(shí)該教具主要利用了生活中常見(jiàn)的鋁環(huán)、磁鐵、LED燈珠等物品，取材方便，穩(wěn)定性高，可操作性強(qiáng).