自制實(shí)驗(yàn)儀器 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件

(江蘇省昆山中學(xué),江蘇 蘇州 215300)

“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”是一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，該節(jié)內(nèi)容是學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)定律和楞次定律的基礎(chǔ)，主要通過(guò)閉合導(dǎo)體切割磁感線、條形磁鐵與線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、模擬法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)這三個(gè)實(shí)驗(yàn)完成教學(xué)，在教學(xué)中，應(yīng)該創(chuàng)新、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，促使學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。

1 實(shí)驗(yàn)器材的制作背景

1.1 課本中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案

人教版高中物理教科書中“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”的實(shí)驗(yàn)方案如下：

(1) 如圖1a所示，閉合電路的一部分切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流；

(2) 如圖1b所示，將磁鐵的N或S極垂直插入線圈，觀察磁鐵插入、靜止、抽出時(shí)電流表指針的擺動(dòng)方向；

(3) 如圖1c所示，將線圈A通過(guò)變阻器和開關(guān)連接到電源上，線圈B的兩端連接到電流表上，把線圈A裝在線圈B里面，閉合、斷開開關(guān)、改變流過(guò)線圈A中的電流時(shí)，觀察電流表指針的情況。

圖1

1.2 課本實(shí)驗(yàn)的不足

(1) 關(guān)于閉合回路中的部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，學(xué)生僅能夠明白水平面積大小的改變。

(2) “模擬法拉第電磁感應(yīng)”實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的器材較多，而學(xué)校實(shí)驗(yàn)室器材數(shù)量有限，不能夠滿足學(xué)生的需求。另外，分析過(guò)程較為復(fù)雜，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣與積極性。

2 自制實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)與制作

2.1 制作材料

強(qiáng)磁鐵、木板、細(xì)銅絲、PVC管、泡沫塑料塊等。

2.2 自制實(shí)驗(yàn)儀器的制作

(1) 矩形線圈制作

① 如圖2所示，用PVC塑料管制作一個(gè)矩形框，尺寸為140mm×80mm，為了使矩形框能夠水平伸縮，便于改變線圈的面積，制作時(shí)矩形框的左邊用了Φ20的PVC塑料管，右邊則用了Φ16的PVC塑料管；

圖2

② 將細(xì)銅絲通過(guò)多匝均勻纏繞的方式將其纏繞于矩形框的外側(cè)，為了確保細(xì)銅絲不脫落，在矩形框4個(gè)彎頭的頂部鑿出一個(gè)凹糟，將細(xì)銅絲卡到里面；

③ 運(yùn)用兩根長(zhǎng)短一樣的Φ16的PVC管，通過(guò)纏繞棉線、用熱熔膠固定于矩形框的兩端。

(2) 均勻磁場(chǎng)條件的實(shí)現(xiàn)

① 將兩塊木板制作成底座和支板，在支板上面固定一個(gè)長(zhǎng)為150mm、寬為100mm、高為3mm的木板，在150mm×100mm×3mm木板的兩側(cè)鑿出一個(gè)寬度為25mm、距木板中線距離為70mm的縫，并放置鐵角架；

② 將兩塊磁鐵以異極相對(duì)的方式，放置于鐵角架上，并確保兩塊磁鐵之間的距離為140mm,使矩形線圈能夠自如旋轉(zhuǎn)；

③ 用彩色貼紙將磁鐵的N、S極標(biāo)注出來(lái)，便于學(xué)生觀察和教師的講解，更便于清楚描述N極指向S極的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

(3) 實(shí)驗(yàn)儀器組裝

① 用熱熔膠將兩個(gè)相同的方形泡沫塑料塊粘于木板上，確保矩形線圈具有較好的穩(wěn)定性；

② 在泡沫塑料塊的恰當(dāng)位置上插入Φ20的PVC管，并將矩形線圈兩端Φ16的管分別插入到Φ20的管中；

③ 將矩形線圈放置于兩塊磁鐵的中間位置，并將矩形線圈預(yù)留的兩截銅絲連接到電流表上，進(jìn)而構(gòu)成閉合回路(如圖3)。

圖3

3 自制實(shí)驗(yàn)儀器在物理教學(xué)中的應(yīng)用

在課堂上，結(jié)合“自制感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀”開展了兩個(gè)探究活動(dòng)，不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，促使每位學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，為學(xué)習(xí)法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律打下了良好的基礎(chǔ)。

3.1 改變勻強(qiáng)磁場(chǎng)中線圈面積的大小

自制矩形線圈具有伸縮功能，在課堂上筆者通過(guò)伸、縮矩形線圈改變線圈的面積，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真、細(xì)心觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)情況(如表1)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)線圈面積大小的變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。結(jié)合圖4，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)現(xiàn)象分析，認(rèn)識(shí)到：當(dāng)線圈面積發(fā)生變化時(shí)，穿過(guò)線圈磁感線的條數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，并產(chǎn)生感應(yīng)電流。這樣，在下面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)沿著“分析磁感線數(shù)量變化”這一思路進(jìn)行分析，進(jìn)而把握住“磁通量大小變化”的本質(zhì)要素。

表1

圖4

3.2 旋轉(zhuǎn)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的矩形線圈

旋轉(zhuǎn)線圈時(shí)，發(fā)現(xiàn)電流表指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)(如表2)。在課堂上，筆者將人教版教材中出現(xiàn)的“有效面積”引入到課堂上，結(jié)合圖5，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到在“旋轉(zhuǎn)過(guò)程中線圈的有效面積發(fā)生了改變”，導(dǎo)致穿過(guò)線圈有效面積的磁感線數(shù)量發(fā)生了改變，進(jìn)而產(chǎn)生了感應(yīng)電流。這樣，不僅將抽象的問(wèn)題具象化、直觀化，還加深了學(xué)生對(duì)磁通量的理解，更將“有效面積”這一概念引入到課堂上，拓展了學(xué)生的知識(shí)面，便于學(xué)生建立完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

表2

圖5

3.3 組織開展學(xué)生自主探索活動(dòng)

將學(xué)生分為3-5人的學(xué)習(xí)小組，讓學(xué)生以小組為單位，通過(guò)實(shí)際操作“感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀”，尋找其他產(chǎn)生感應(yīng)電流的方式，并讓小組代表上臺(tái)進(jìn)行演示。動(dòng)手操作不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，還能夠拓展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生分析能力、實(shí)踐能力以及探索能力，進(jìn)而促使學(xué)生的核心素養(yǎng)得到提升。在組織開展自主探索活動(dòng)過(guò)程中，教師并非是“甩手掌柜“，而要深入到學(xué)生中間，了解學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)況，及時(shí)給予學(xué)生指導(dǎo)和點(diǎn)撥，實(shí)現(xiàn)“當(dāng)堂事，當(dāng)堂畢”。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合物理教材、學(xué)情等因素制作實(shí)驗(yàn)儀器，有助于幫助學(xué)生理解知識(shí)，提升學(xué)生物理知識(shí)的掌握水平，也有助于激發(fā)學(xué)生的求知欲，促使學(xué)生的學(xué)習(xí)由“被動(dòng)學(xué)”向“主動(dòng)學(xué)”的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力、探究能力的提升。在自制實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，要遵循器材易得、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)直觀、誤差較小等原則，始終貫徹“以學(xué)生發(fā)展為本”的理念，落實(shí)素質(zhì)教育的要求，促使學(xué)生的物理核心素養(yǎng)得到提升。