用光電傳感裝置改進(jìn)楞次定律實驗

肖政

摘? ?要：利用51單片機(jī)、TCRT5000紅外反射傳感器、發(fā)光二極管、強(qiáng)磁鐵等元件制作了楞次定律實驗演示器，該裝置設(shè)計新穎、操作簡單，利用本裝置的實驗結(jié)果總結(jié)出楞次定律的內(nèi)容，更加直觀，更具有說服力。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng);光電傳感;楞次定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0054-2

1? ? 引? ?言

《楞次定律》是人教版高中物理選修3-2第四章《電磁感應(yīng)》第三節(jié)的內(nèi)容，是電磁學(xué)內(nèi)容的重要組成部分，也是考試中的重難點。在教學(xué)過程中，一般都是用教材上的兩個演示實驗，從而總結(jié)出楞次定律的內(nèi)容。但是，這兩個演示實驗，學(xué)生理解起來有困難。筆者從材料和制作方法上進(jìn)行了全方位創(chuàng)新和改進(jìn)，制作出“光電式楞次定律演示器”的實驗組合裝置。

2? ? 教材中的演示實驗[1，2]

（1）在做“鋁環(huán)”演示實驗時，由于要快速插入（或抽出），盡管閉合鋁環(huán)出現(xiàn)了一定的轉(zhuǎn)動，由于鋁環(huán)質(zhì)量較小，導(dǎo)致有部分學(xué)生認(rèn)為是磁鐵快速移動的過程中空氣對流產(chǎn)生的結(jié)果。

（2）在用磁鐵插入（或抽出）線圈中看電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向來判斷感應(yīng)電流的方向的演示實驗中，電流表的指針偏轉(zhuǎn)不明顯，導(dǎo)致班上絕大多數(shù)學(xué)生都看不清楚。

（3）如果磁鐵插入（或抽出）線圈中的速度不夠快，電流表指針偏轉(zhuǎn)不明顯或者幾乎就不偏轉(zhuǎn)。整個操作過程比較復(fù)雜，器材較多，攜帶不方便，耗時也較多。

3? ? 制作流程及裝置圖說明

3.1? ? 制作材料

單片機(jī)、TCRT5000紅外反射傳感器（2個）、LED顯示屏、發(fā)光二極管（4個）、鐵球、磁球、強(qiáng)磁圓柱體、漆包線、銅管、塑料杯、透明PVC管、4節(jié)5號電池、木板、導(dǎo)線若干。

3.2? ? 制作工具

電烙鐵、電鉆、鋼鋸、電腦、螺絲刀等。

3.3? ? 制作流程

實驗裝置如圖1所示。

（1）用兩根50 cm長的方形木條、40 cm×30 cm的薄木板以及底座木板做成固定支架，并分別在底座上方固定塑料杯。

（2）用C語言編寫光電計時程序并燒錄到單片機(jī)中[3，4]。

（3）將TCRT5000紅外反射傳感器1、傳感器2、單片機(jī)、LED顯示屏、晶振、電源開關(guān)、USB串口、電池盒等元件焊接在9 cm×15 cm的電木板上。

（4）取一根1 m長、內(nèi)徑為18 mm的直銅管，并用橡皮筋固定在支架木板上，分別將傳感器1、傳感器2固定在銅管的上下兩端。

（5）取一根1 m長、內(nèi)徑為24 mm的PVC透明管，并用橡皮筋固定在支架木板上，并用漆包線按順時針纏繞制成線圈1和線圈2固定在PVC管的適當(dāng)位置處。

（6）將藍(lán)色和白色的發(fā)光二極管反接，分別連接在線圈1和線圈2上。

4? ? 該裝置的優(yōu)點

（1）利用鐵球和磁球在銅管中下落時間長短的比較，直觀地體現(xiàn)了楞次定律中“來拒去留”的現(xiàn)象。

（2）利用光電傳感器記錄下兩個小球的下落時間和遮光時間（LED顯示屏上的Time1顯示的是小球從光電傳感器1到光電傳感器2的時間，Time2顯示的是小球下落過程中對光電傳感器2的遮光時間）。（實驗數(shù)據(jù)見表1）

對于鐵球的下落，可以用自由落體運(yùn)動規(guī)律：h=■gt2，帶入實驗數(shù)據(jù)得：g=9.79 m/s2，再由機(jī)械能守恒定律：mgh=■m（■）2，帶入實驗數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為鐵球的下落過程機(jī)械能是守恒的。對磁球的下落過程，從實驗數(shù)據(jù)來看，重力勢能的減少量明顯大于動能的增加量[5-7]。

（3）利用藍(lán)色和白色兩種顏色的發(fā)光二極管（發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，并且二極管是反接的）的發(fā)光情況判斷電流方向發(fā)生了改變。

（4）在塑料杯中放入濕紙巾，既避免小球下落后亂跳，又可以防止磁球摔壞，還解決了操作復(fù)雜、操作時間過長、不方便攜帶的問題。

5? ? 使用效果

該光電式楞次定律演示器，通過師生們的實際使用都認(rèn)為適用性很強(qiáng)，得到師生好評，操作簡單，使用方便，便于攜帶，任何學(xué)生都會使用。在使用中，不會出現(xiàn)實驗不成功的現(xiàn)象。讀數(shù)直觀易懂，實驗現(xiàn)象明顯，科學(xué)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的說服力，學(xué)生可以更好地理解楞次定律的內(nèi)容。

6? ? 注意事項

該實驗裝置中使用的強(qiáng)磁鐵為釹鐵硼磁鐵，磁性很強(qiáng)，在使用的過程中應(yīng)遠(yuǎn)離手機(jī)、銀行卡等，以免被磁化。磁體易粉碎，在操作過程中不要將磁鐵直接與地面發(fā)生碰撞。光電傳感器的計時原理是當(dāng)物體完全通過光電傳感器時開始計時，到物體遮住第二個光電傳感器時停止計時，這期間若第一個光電傳感器被遮擋，計時就清零，所以在釋放小球后，手要迅速拿開，防止光電傳感器被再次遮擋。

參考文獻(xiàn)：

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[2]潘學(xué)軍.物理實驗方法與演示教具制作[M].北京：科學(xué)出版社，2017.

[3]莊燕文.Dev-C++ 基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[4]楊欣，王玉鳳，劉湘黔. 51單片機(jī)應(yīng)用從零開始[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2015.

[6]唐挈.高中物理實驗有效教學(xué)設(shè)計及案例[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2013.

[7]高春海，黃軍武.高中物理實驗指導(dǎo)與拓展探究[M].石家莊：河北人民出版社，2013.

（欄目編輯? ? 王柏廬）