磁生電發(fā)聲樂器電磁感應(yīng)演示儀

王 磊 陳建文

一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

有一個(gè)關(guān)于電磁感應(yīng)的故事，法國著名物理學(xué)家阿拉果(如圖1所示)在1824年做了一個(gè)圓盤實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)在懸吊的磁針下置一銅圓盤(如圖2所示)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)銅圓盤時(shí)，磁針會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，但稍有滯后，反之，轉(zhuǎn)動(dòng)磁針，銅圓盤也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)界引起了很大的震動(dòng)，但當(dāng)時(shí)全世界無人能圓滿地解釋，直到1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)效應(yīng)后，才對這個(gè)實(shí)驗(yàn)有了較正確的解釋[2]。銅圓盤相對磁體運(yùn)動(dòng)，銅圓盤各個(gè)局部磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，奧斯特早已發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的銅圓盤相當(dāng)于排滿了小磁針，吸引著上方磁體跟著銅圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 法國物理學(xué)家阿拉果

圖2 圓盤實(shí)驗(yàn)示意圖

二、電磁感應(yīng)中學(xué)階段的教學(xué)設(shè)備

電磁感應(yīng)是物理學(xué)科中相當(dāng)重要的知識(shí)，充分理解該部分內(nèi)容是以后學(xué)習(xí)發(fā)電機(jī)、變壓器等復(fù)雜設(shè)備的基礎(chǔ)。但是由于電、磁的直觀性差，傳統(tǒng)的授課方法缺乏有效的啟發(fā)作用，造成了電磁感應(yīng)成為高中物理學(xué)習(xí)中的一個(gè)難點(diǎn)，教師在開始教學(xué)前通常會(huì)利用簡單教具為學(xué)生演示，教師利用輔助教具直觀、形象地演示某種科學(xué)現(xiàn)象，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并充分調(diào)動(dòng)積極性，是一種非常有效的教學(xué)手段。尤其是在理科教學(xué)中，通過演示某些有趣的現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)生提出疑問進(jìn)而開動(dòng)大腦進(jìn)行思考是非常值得倡導(dǎo)的教學(xué)方式。在電磁感應(yīng)教學(xué)中，常用的演示儀器有兩種：(1)在線圈內(nèi)移動(dòng)磁體產(chǎn)生感應(yīng)電流(如圖3所示)；(2)交流電原理演示儀器(如圖4所示)。

圖3 感應(yīng)電流產(chǎn)生演示儀器

圖4 交流電原理演示儀器

第一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備是通過動(dòng)磁場來引起線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流使電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡單、效果明顯，是當(dāng)下中國各個(gè)高中普遍使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。但該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果相對單一，難以體現(xiàn)電磁感應(yīng)的強(qiáng)大作用和物理魅力。僅僅產(chǎn)生電流表指針偏轉(zhuǎn)，難以引起學(xué)生的興趣和對學(xué)習(xí)物理的熱情。第二種實(shí)驗(yàn)設(shè)備是利用交流電原理，該實(shí)驗(yàn)相對第一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備是轉(zhuǎn)動(dòng)線圈切割磁場，指針換成小燈泡，實(shí)驗(yàn)效果稍有提升但課堂吸引力仍然有限。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求器件精度高，轉(zhuǎn)軸接觸部分的連接總是出現(xiàn)脫落導(dǎo)致沒有物理現(xiàn)象產(chǎn)生。為改變電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，本文介紹一種新的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)。

三、磁生電發(fā)聲樂器電磁感應(yīng)演示儀

1.設(shè)備結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)所述的一種應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的磁生電發(fā)聲樂器電磁感應(yīng)演示儀，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，不同視角的部件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。該裝置主體由音板4、架弦橋(2，9)、鋼弦7、蹄形磁鐵6、固定弦碼1、可調(diào)弦碼10、音頻端口3組成；音板4的4個(gè)角安裝腳架11，音板兩側(cè)設(shè)有凹槽，凹槽嵌入兩片架弦橋(2，9)，架弦橋2外側(cè)音板上有洞穿孔，洞穿孔安裝固定弦碼1，架弦橋9外側(cè)音板上有洞穿孔，洞穿孔安裝可調(diào)弦碼10，弦碼1和弦碼10之間連接鋼弦7。音板4上貼有音階標(biāo)記點(diǎn)14，音板4上架弦橋2的內(nèi)側(cè)安裝蹄形磁鐵6，音板下側(cè)兩弦碼(1，10)之間通過導(dǎo)線(12，13)連接音頻端口3，音頻端口3固定在音板4下側(cè)。

圖5 磁生電發(fā)聲樂器電磁感應(yīng)演示儀整體結(jié)構(gòu)圖

圖6 不同視角的磁生電發(fā)聲樂器電磁感應(yīng)演示儀

2.工作原理

音板4由非導(dǎo)電剛性材料制作而成，不易變形不能導(dǎo)電，音板4頭尾兩側(cè)的固定弦碼1和可調(diào)弦碼10之間連接鋼弦，鋼弦架在弦橋(2，9)上，通過調(diào)節(jié)可調(diào)弦碼上的調(diào)弦柄5調(diào)節(jié)弦的張緊力使鋼弦張緊，用手撥動(dòng)鋼弦，調(diào)得越緊鋼弦的振動(dòng)頻率越高，調(diào)的越低鋼弦的振動(dòng)頻率越低。音板4上裝有蹄形永磁體6，這樣鋼弦在振動(dòng)時(shí)就會(huì)切割永磁體6的磁感線而產(chǎn)生電動(dòng)勢。弦碼1和弦碼10由可導(dǎo)電材料鑄成，兩弦碼用導(dǎo)線連接音頻端口3，音頻端口3連接音響，即可使導(dǎo)線和音響之間形成閉合回路從而形成電流，因?yàn)閷?dǎo)線在振動(dòng)切割磁感線，所以電流的方向在發(fā)生變化，而且電流的周期與鋼弦7振動(dòng)的周期是完全相同的。即音響發(fā)出聲音的頻率和鋼弦振動(dòng)的頻率一致。而鋼弦的振動(dòng)頻率由鋼弦長度決定，所以用力撥動(dòng)鋼弦不會(huì)改變聲音頻率，但卻使得切割磁感線的速度變快而產(chǎn)生更大電動(dòng)勢進(jìn)而產(chǎn)生更大電流使聲音變大。所以此裝置不僅可以驗(yàn)證導(dǎo)線切割磁感線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，還可以驗(yàn)證導(dǎo)線切割磁感線速度快、產(chǎn)生的電動(dòng)勢大，電流大。

音板4上標(biāo)記有不同音高的點(diǎn)(14)形成了音階。用手按住不同的點(diǎn)在撥動(dòng)琴弦，即改變了弦長，改變了頻率，改變了音高，這樣可以根據(jù)簡譜來演奏一段簡單的旋律。所以本設(shè)備還可以驗(yàn)證振動(dòng)頻率和弦長短的關(guān)系：弦長越長頻率越低，弦長越短頻率越高。音位按點(diǎn)的確定可以根據(jù)西方音樂的十二平均律或者中國傳統(tǒng)音樂的三分損益法[3]。圖7給出了以三分損益法為依據(jù)導(dǎo)出的音位點(diǎn)的數(shù)據(jù)關(guān)系，按此關(guān)系成比例縮放即可得到正確的音階位點(diǎn)。

圖7 基于三分損益法的音位點(diǎn)的數(shù)據(jù)關(guān)系

四、本設(shè)計(jì)的使用方法

1.音樂演示

將設(shè)備連接，音響接電，調(diào)節(jié)調(diào)弦柄5使鋼弦振動(dòng)頻率為110 Hz。用左手食指依次按鋼弦不同的音位點(diǎn)并用右手手指撥動(dòng)鋼弦即可得到A大調(diào)自然音階。參照簡譜例如《小星星》(如圖8所示)來移動(dòng)左手按弦位置，即可得到A大調(diào)的《小星星》音樂。

圖8 《小星星》簡譜

2.研究切割磁場速度與電流的關(guān)系

空弦下輕輕撥動(dòng)鋼弦，鋼弦振幅較小，振動(dòng)速度慢，聽到的聲音小。逐漸增大撥弦力度，振幅變大。根據(jù)弦長決定頻率進(jìn)而決定振動(dòng)周期即周期不變，振動(dòng)速度快，聽到的聲音大。聲音大即產(chǎn)生的感應(yīng)電流強(qiáng)。得出結(jié)論：切割速度快產(chǎn)生電流強(qiáng)。

3.研究振動(dòng)頻率與弦長的關(guān)系

左手按住鋼弦在不同的位置上，撥動(dòng)鋼弦，聽到不同音調(diào)的聲音。移動(dòng)左手按弦點(diǎn)到任意位置對比聲音音調(diào)發(fā)現(xiàn)。振動(dòng)弦長越長，音調(diào)越低即振動(dòng)頻率越??；振動(dòng)弦長越短，音調(diào)越高即振動(dòng)頻率越大。

五、結(jié)語

本文介紹了一種將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為音樂的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器。本儀器將枯燥的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐魳沸问秸宫F(xiàn)，不僅能演示切割磁場會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以體現(xiàn)出切割的越快產(chǎn)生的電流越強(qiáng)的原理，課堂效果好，吸引力強(qiáng)；該設(shè)計(jì)還可以用來演示振動(dòng)頻率和長度的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，適合于在高中物理課堂普及應(yīng)用，以增強(qiáng)電磁感應(yīng)的課程吸引力。