線圈在磁場(chǎng)中切割磁感線的裝置制作與應(yīng)用
——探究磁生電的條件和規(guī)律的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

◆王丹 羅劍

1 問(wèn)題提出

在浙教版《科學(xué)》八年級(jí)下冊(cè)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象教學(xué)中，電磁感應(yīng)的條件是教學(xué)中的重點(diǎn)：“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。”教材的實(shí)驗(yàn)只對(duì)切割磁感線進(jìn)行了深入探究[1]，在得出結(jié)論時(shí)，很多學(xué)生對(duì)條件中的“一部分導(dǎo)體”提出疑問(wèn)：為什么要一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線？所有導(dǎo)體均在磁場(chǎng)中切割磁感線會(huì)有什么結(jié)果？

其實(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流的實(shí)質(zhì)是閉合回路中的磁通量發(fā)生變化，而在初中階段所研究的均為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，全部導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線時(shí)磁通量沒(méi)有變化，因此不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。初中學(xué)生沒(méi)有磁通量的概念，那么如何向初中生解釋這個(gè)問(wèn)題？通常，教師會(huì)通過(guò)畫(huà)一幅線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的圖，直接在理論上給學(xué)生講解當(dāng)線圈全部在磁場(chǎng)時(shí)，兩條對(duì)邊產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相反，互相抵消。這種直接講解的方式使學(xué)生缺少直觀的感受，也跳過(guò)了自己思考的過(guò)程，效果不佳。

2 裝置設(shè)計(jì)與制作

基于上述教學(xué)問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生直觀觀察線圈的部分導(dǎo)體和全部導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線到底會(huì)不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。學(xué)生可以基于直觀的感受，再去思考造成這種結(jié)果的原因。

首先，需要制造一個(gè)范圍較大的勻強(qiáng)磁場(chǎng)以確保整個(gè)線圈置于磁場(chǎng)之中。通常，實(shí)驗(yàn)室是通過(guò)制造亥姆霍茲線圈產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)的[2-4]。但是，亥姆霍茲線圈制作較為復(fù)雜，線圈匝數(shù)通常要大于500匝，且通入的電流較大時(shí)才能得到幾毫特斯拉強(qiáng)度的磁場(chǎng)，此時(shí)線圈中電流的熱效應(yīng)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)裝置的安全性。若線圈匝數(shù)不夠，或通入的電流太小，則產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，導(dǎo)體在其中切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流也較小，很難使靈敏電流表指針偏轉(zhuǎn)。面積較大磁體的N 極和S 極平行放置，中間區(qū)域是一個(gè)近似的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的均勻性和磁場(chǎng)強(qiáng)度與兩磁體間的距離有關(guān)，距離越近，磁場(chǎng)的均勻性越好，磁場(chǎng)強(qiáng)度也越大[5]。本文采用兩塊面積較大的鐵磁體的N 極和S極平行放置的方法制造勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

為了制造一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大、均勻性較好的磁場(chǎng)，需要使兩塊磁體的N 極和S極靠得很近。為避免兩塊磁體因?yàn)槲^大而相互吸引，需要一個(gè)固定裝置，如圖1所示。固定裝置由兩組相同的亞克力板組成，每一個(gè)組合由三塊板組成，分別用A、B、C表示。兩塊磁體的尺寸均為150mm（長(zhǎng)）×20mm（寬）×100mm（高）。A 板尺寸為200mm（長(zhǎng)）×50mm（寬）×19mm（高），能夠防止兩塊磁體吸引在一起。B板的尺寸為200mm（長(zhǎng)）×200mm（寬）×20mm（高），能夠?qū)⒋朋w置于其中，且方便搬移。C板的尺寸為200mm（長(zhǎng)）×100mm（寬）×20mm（高），可以防止裝置過(guò)重而導(dǎo)致放置時(shí)壓手，同時(shí)面積較大，較為穩(wěn)定。在此裝置中，兩塊磁體間的距離為50mm，兩塊磁體中間的勻強(qiáng)磁場(chǎng)面積比磁體正對(duì)的面積略小。在A 板上開(kāi)一道凹槽作為線圈運(yùn)動(dòng)的軌道，可方便控制線圈在磁場(chǎng)中穩(wěn)定地做直線運(yùn)動(dòng)。

圖1 勻強(qiáng)磁場(chǎng)裝置

如圖2所示，把線圈放到凹槽中，通過(guò)拉動(dòng)固定在線圈上的黃線，可使線圈在磁場(chǎng)中穩(wěn)定地做直線運(yùn)動(dòng)；將線圈連上靈敏電流表，即可觀察產(chǎn)生的感應(yīng)電流的情況。

圖2 放入線圈連上靈敏電流表

3 裝置應(yīng)用及效果

拉動(dòng)線圈上的固定繩索，使線圈在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)。在線圈未完全進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，即線圈的部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線時(shí)，靈敏電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)線圈完全進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，暫停拉動(dòng)線圈（靈敏電流表指針會(huì)因?yàn)閼T性而擺動(dòng)），待靈敏電流表指針靜止后再拉動(dòng)線圈，可觀察到靈敏電流表指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；等線圈開(kāi)始離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)，靈敏電流表指針又發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

為了能把電流的情況記錄下來(lái)以供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后分析感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，可以用電流傳感器替代靈敏電流表，并將電流傳感器與DISLab軟件相連，即可將線圈部分導(dǎo)體和全部導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流的圖像顯示并記錄下來(lái)。拉動(dòng)線圈使線圈穿過(guò)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流如圖3所示。電流為0時(shí)，是線圈全部在磁場(chǎng)中切割磁感線的時(shí)候；電流不為0時(shí)，是線圈未完全進(jìn)入磁場(chǎng)，即部分導(dǎo)體切割磁感線的時(shí)候；進(jìn)入磁場(chǎng)和離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相反。

圖3 線圈穿過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流

在實(shí)際教學(xué)中，可以先探究教材中的實(shí)驗(yàn)，明確切割磁感線是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件之后，再演示本實(shí)驗(yàn)，并提問(wèn)：“為什么線圈在磁場(chǎng)中切割磁感線，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，有時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流？”通過(guò)制造認(rèn)知沖突，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)其好奇心，促使學(xué)生主動(dòng)思考、自主探究。在觀察的基礎(chǔ)上，學(xué)生自主探索和思考，教師再適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行畫(huà)圖講評(píng)，可使學(xué)習(xí)效果大大增強(qiáng)。

本實(shí)驗(yàn)裝置還可用于探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小與導(dǎo)體切割速度大小的關(guān)系，如圖4所示。當(dāng)較慢拉動(dòng)線圈時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流為0.01A；加快拉動(dòng)線圈的速度，產(chǎn)生的感應(yīng)電流變?yōu)?.02A。因此，導(dǎo)體切割磁感線的速度越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大。

圖4 不同切割速度產(chǎn)生的感應(yīng)電流比較

4 裝置應(yīng)用反思及 改進(jìn)

利用本實(shí)驗(yàn)裝置演示線圈穿過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況，可以極大地激起學(xué)生對(duì)科學(xué)的好奇心，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生主動(dòng)探究部分導(dǎo)體和全部導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流的區(qū)別，促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，很好地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)對(duì)“一部分導(dǎo)體”在磁場(chǎng)中切割磁感線的疑惑，教學(xué)效果良好。

在實(shí)際演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，線圈需勻速穿過(guò)磁場(chǎng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流才能如圖3、圖4中對(duì)稱。由于人為拉動(dòng)很難控制線圈進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，尤其是在演示快速拉動(dòng)線圈時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流圖像出現(xiàn)波動(dòng)的概率較大。波動(dòng)的電流圖像會(huì)給學(xué)生對(duì)感應(yīng)電流的條件和規(guī)律的分析帶來(lái)不必要的干擾。為了避免這些干擾，可以對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)：利用小電動(dòng)機(jī)和滑輪的組合帶動(dòng)線圈做勻速直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)的不同擋位調(diào)節(jié)線圈在磁場(chǎng)中切割磁感線的速度。

此外，為直觀展示線圈是部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中還是全部導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線，可以用激光把磁感線形象地表示出來(lái)[6]：在磁體上安裝一面3×4的激光矩陣，演示實(shí)驗(yàn)前在磁體中間點(diǎn)燃一段線香，打開(kāi)激光，就可以看到磁場(chǎng)中三行四列的“磁感線”。增加看得見(jiàn)的“磁感線”，可以極大地增強(qiáng)本實(shí)驗(yàn)的可視化程度，有效降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。