自制一款可視化的楞次定律演示裝置

摘?要：為了解決中學(xué)生學(xué)習(xí)楞次定律理解“磁通量的變化”這一抽象的概念。結(jié)合電子技術(shù)，設(shè)計了一款自制楞次定律演示的裝置。本裝置能清楚地演示出楞次定律的原理，具有易操作、便捷、直觀等特點。

關(guān)鍵詞：楞次定律;自制;直觀

Abstract：In order to solve the problem that middle school students learn Lenz's law and understand the abstract concept of "the change of magnetic flux".Combining with the electronic technology，a self-made demonstration device of Lenz's law is designed.It can demonstrate the principle of Lenz's law clearly，and has the characteristics of easy operation，convenience and intuition.

Key words：Lenz's law; self-made; intuition

中學(xué)生在學(xué)習(xí)楞次定律“穿過閉合回路的磁通發(fā)生變化時，回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，而感應(yīng)電流的方向總是使它產(chǎn)生的磁場去阻礙閉合回路中原有的磁通的變化”，對關(guān)鍵詞“阻礙”的理解比較困難，對感應(yīng)電流的方向該如何判斷摸不著頭腦。為了提高楞次定律的教學(xué)效果，目前出現(xiàn)了一些演示裝置用于課堂教學(xué)中。比較典型的旋轉(zhuǎn)式J11224 楞次定律演示器，該儀器是通過磁鐵的插入和拔出時機(jī)械臂的晃動來反映楞次定律產(chǎn)生的機(jī)械阻尼效果，但其不能反映出感應(yīng)電流方向遵循的規(guī)律;且存在金屬環(huán)面積較小，磁鐵插入時容易碰到金屬環(huán)，懸臂較短，磁鐵插入速度稍慢時旋轉(zhuǎn)不明顯、不靈敏。[1]另一種比較典型的楞次定律演示器是教材中使用的檢流計式演示儀，這種演示儀是通過觀察磁鐵插入與拔出螺旋管線圈時檢流計指針的偏轉(zhuǎn)方向來反映線圈中感應(yīng)電流的方向應(yīng)遵循的規(guī)律，比較容易觀察，但其不能反映出感應(yīng)電流對磁鐵產(chǎn)生的機(jī)械阻尼效果。除此之外，一些公知的楞次定律演示儀也都存在“時間短、判斷難”的不足。為了更好地演示出楞次定律，結(jié)合電子技術(shù)，自制了一款可視化的楞次定律演示裝置。

1 設(shè)計思路及電路實現(xiàn)

1.1 設(shè)計思路

傳統(tǒng)的楞次定律實驗演示儀是將線圈固定不動，通過插拔條形磁鐵方式來演示楞次定律。本設(shè)計則是反過來讓條形磁鐵固定不動，通過插拔線圈的方式來演示楞次定律，通過實驗發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計方式對本裝置實驗效果更明顯且實驗現(xiàn)象更穩(wěn)定。實驗中當(dāng)線圈在條形磁鐵中插拔時，線圈中的磁通量會跟隨發(fā)生變化，于是線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，但此時的感應(yīng)電流較小且是瞬態(tài)的，線圈中產(chǎn)生的微小電流可以帶動檢流計的指針偏轉(zhuǎn)，但指針的偏轉(zhuǎn)是瞬間的學(xué)生不容易觀察。為了讓學(xué)生更清楚，更明顯地觀察到線圈在條形磁鐵中插拔時線圈中感應(yīng)電流的方向到底是指向那個方向，本設(shè)計是將線圈中的微小感應(yīng)電流通過兩個微電流放大器將電流放大到能夠觸發(fā)單片機(jī)微處理器。這樣單片機(jī)微處理器在接收到相應(yīng)信號后，通過程序控制相應(yīng)的高亮LED指示燈點亮，并同時控制LED燈點亮的時間。由于“LED箭頭燈”（由多顆LED等組合成一個箭頭的形狀排列，其箭頭的方向指向與線圈中電流的方向在水平上保持一致）點亮的時間被延時了2-3秒，而不再是瞬時點亮，所以，學(xué)生此時就可以方便直觀地通過LED箭頭燈判斷出線圈中感應(yīng)電流的方向到底是指向的那個方向，此時老師讓學(xué)生再結(jié)合安培定則進(jìn)行分析就容易讓學(xué)生更好理解楞次定律。

1.2 電路實現(xiàn)

電磁鐵在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流一般是比較微弱，不足以驅(qū)動外部器件也不易被單片機(jī)處理器采集。因此需要對得到的感應(yīng)電流進(jìn)行放大處理。本裝置采用的AD623集成單電源儀表放大器，可以工作于單電源和雙電源下。它允許使用單個增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，具有很好的用戶靈活性。單片機(jī)微控制器具有集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)的特點，在測控系統(tǒng)、智能產(chǎn)品中廣泛地使用，本設(shè)計采用8位的51單片機(jī)作為微控制器。

2 制作方法

如圖1結(jié)構(gòu)圖所示，儀器有一底座1，儀器箱2的中間位置安裝一微小電流檢流計4，儀器箱的左右兩邊分別安裝紅綠兩種高亮的LED感應(yīng)電流方向指示燈3，一根裝有圓柱形磁鐵的PVC管5安裝在儀器箱頂部的中心位置上，線圈6導(dǎo)在PVC管上，實驗時將線圈在裝有圓柱形磁鐵的PVC管上插拔時，一是微小電流檢流計的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可以根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的方向來判斷線圈中感應(yīng)電流的方向，同時紅綠兩種高亮的LED感應(yīng)電流方向指示燈也會被點亮，可以通過被點亮的LED燈進(jìn)一步判斷線圈中感應(yīng)電流的方向，用檢流計指針偏轉(zhuǎn)的方向和點亮的LED箭頭燈二者結(jié)合用來共同判斷線圈中感應(yīng)電流的方向比原有一些儀器只用其中一個來判斷效果就好很多。特別是指示感應(yīng)電流方向的LED燈點亮?xí)r會兩2-3秒，這樣觀察起來就更方便，從而實現(xiàn)設(shè)計的目的。

為了進(jìn)一步說明制作的過程，給出了詳細(xì)闡述可視化楞次定律演示儀的內(nèi)部接線如圖2所示。

3 總結(jié)

結(jié)合電子技術(shù)，利用智能芯片巧妙地捕獲“感應(yīng)電流”，并對其進(jìn)行有效地處理，使不易判斷出感應(yīng)電流的方向以及理解“阻礙”等關(guān)鍵問題得到解決。該設(shè)計裝置簡單易操作，能充分增強(qiáng)學(xué)生的積極性，同時也能激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)奧秘、以及增強(qiáng)學(xué)生的工程意識。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊軍.改進(jìn)的楞次定律演示器六款[J].教學(xué)儀器與實驗，2005（11）.

[2]葉澤，王靜.楞次定律綜合實驗儀[J].物理實驗，2019，39（1）：61-64.

[3]刑長苓.楞次定律演示器的創(chuàng)新設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007，36（6）：35.

[4]林偉君，高潔.自制一款楞次定律演示裝置[J].物理教學(xué)，2016，38（3）：34-35.

作者簡介：江敏（1990-），男，重慶開縣人，碩士，助教，研究方向：嵌入式技術(shù)及智能產(chǎn)品設(shè)計研究與教學(xué)。