自制多功能楞次定律演示儀

李升明

摘? ?要：針對當(dāng)前楞次定律演示儀組成部分零散、演示功能單一等不足，創(chuàng)新地設(shè)計了多功能楞次定律演示儀。該演示儀除了可以探究演示楞次定律，還可以探究演示機械能守恒定律、不同性質(zhì)能量之間的轉(zhuǎn)換，以及演示交變電流的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：楞次定律;交變電流;機械能守恒;能量轉(zhuǎn)換

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）5-0055-2

1? ? 自制教具背景

目前高中物理對楞次定律的實驗演示教學(xué)中，所使用的實驗儀器都是零散的，包括螺線管、靈敏電流計、永磁鐵和若干導(dǎo)線等。在實驗教學(xué)中，每次教學(xué)都要重新組裝一次。同時，由于電表結(jié)構(gòu)是密封的，感應(yīng)電流方向顯示得不直觀[1]。針對這些問題，本文介紹了多功能楞次定律演示儀，在演示楞次定律的基礎(chǔ)之上，又集成了交變電流的演示、探究機械能守恒定律和探究能量的轉(zhuǎn)換。

2? ? 儀器的制作與組成

2.1? ? 零配件的制作

儀器的組成如圖1所示，整個儀器由層板、PVC管、KT板等材料制作。層板和KT板在切割后制作成支撐連接各零件的后底板和底座。將漆包線繞制在PVC管上，制作成楞次定律演示管和交變電流演示管。在層板上焊接兩組呈上下箭頭指向的不同顏色的發(fā)光二極管，箭頭指向就代表電流方向。安裝兩個切換開關(guān)，用以切換演示楞次定律和交變電流。將釹磁鐵分別標(biāo)注好N級和S級。另外一段PVC管上和后底板在對應(yīng)位置開孔，并標(biāo)上刻度，這是為了方便光電門的安裝與使用?？潭仁菫榱朔奖阒苯幼x出物體下降的高度Δh，從而制成機械能守恒定律演示管。

2.2? ? 電路的設(shè)計與焊接

制作該儀器的電路圖（圖2）。兩組二極管并聯(lián)焊接在一起，無論正反電流，總會有一個二極管發(fā)光。兩個切換開關(guān)再分別控制楞次定律演示線圈和交變電流演示線圈與發(fā)光二極管的連接。當(dāng)S1閉合，S2斷開時，就可以探究演示楞次定律;當(dāng)S1斷開，S2閉合時，就可以探究演示交變電流的產(chǎn)生。

3? ? 各實驗的演示

3.1? ? 楞次定律的演示

在演示楞次定律的時候，將楞次定律演示切換開關(guān)撥到“開”的位置，交變電流開關(guān)撥到“關(guān)”的位置。之后進行楞次定律的演示實驗，用發(fā)光二極管代替原來實驗中的靈敏電流計之后，讓感應(yīng)電流的方向更加直觀。改進了靈敏電流計復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之后，無論磁鐵在演示線圈中怎樣運動，都可以清晰而直觀地反映感應(yīng)電流的方向，提高了課堂教學(xué)的嚴謹性與直觀性。

3.2? ? 交變電流的演示

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，是將線圈在穩(wěn)定的磁場中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生交變電流。本文提出的交變電流演示方案是在教具制作過程中通過線圈的繞制方向不同而實現(xiàn)的。這也是在楞次定律演示的基礎(chǔ)之上進行的，讓知識之間更加連貫。

演示交變電流時，將交變電流的切換開關(guān)撥到“開”，楞次定律的切換開關(guān)撥到“關(guān)”。因為在繞制交變電流演示線圈的時候，就將線圈分組交替繞制。第一組線圈順時針繞制，第二組線圈就是逆時針繞制。在磁鐵下落過程中，如果第一組線圈產(chǎn)生向下的電流，那么第二組線圈會產(chǎn)生向上的電流，如此交替循環(huán)，產(chǎn)生交變電流，使二極管交替發(fā)光。磁鐵運動速度不同，兩組發(fā)光二極管發(fā)光間隔時間也會隨之改變，這樣就可以向?qū)W生解釋交變電流的頻率問題。

3.3? ? 機械能守恒定律的演示

探究機械能守恒定律要用到光電門傳感器。將光電門傳感器固定在后底板上的不同位置，而底板上又標(biāo)有刻度，這樣方便演示實驗時讀出物體下降的高度，求出高度差。通過Dis軟件就可以得到不同點的速度，從而探究機械能守恒定律。儀器總共開孔6個，可測量5組數(shù)據(jù)。教具在制作時就已開好了孔，方便實驗中的演示操作。

3.4? ? 能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的演示

因為交變電流演示線圈在與機械能守恒演示管最高那個孔和最低那個孔的相同位置也開孔，這樣方便光電門傳感器的使用。演示能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象時，將機械能守恒定律和交變電流演示配合使用，將開關(guān)撥到演示交變電流的狀態(tài)。讓同一塊磁鐵分別從兩個管中下落，當(dāng)磁鐵從交變電流演示線圈中下落時二極管會發(fā)光。同樣的，利用光電門傳感器可以測出在兩根管中最高點與最低點的速度，計算其動能的改變量。將兩根管中測出的動能改變量進行對比可以發(fā)現(xiàn)，交變電流演示管中磁鐵動能的改變量ΔEk1恒小于機械能守恒演示管中磁鐵動能的改變量ΔEk2;這樣就可以從數(shù)值上探究磁鐵的一部分重力勢能轉(zhuǎn)化成了二極管發(fā)光的電能;說明了不同性質(zhì)能量之間的轉(zhuǎn)換。

4? ? 儀器的優(yōu)點

多個實驗儀器相互結(jié)合，形成一個有機的整體，做到了一個儀器多種用途。一方面方便于教師實際教學(xué)過程中的使用，另一方面在教學(xué)過程中激發(fā)了學(xué)生對相關(guān)實驗的探究興趣。將楞次定律與交變電流的有機結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)楞次定律的基礎(chǔ)之上，進一步學(xué)習(xí)交變電流，既促進了交變電流的學(xué)習(xí)，也深化了對楞次定律的理解，做到了知識之間的連貫教學(xué)。儀器也創(chuàng)新地將電磁感應(yīng)現(xiàn)象之間能量的轉(zhuǎn)換與機械能之間的轉(zhuǎn)換形成對比，讓學(xué)生更加深刻地理解能量的轉(zhuǎn)換。

該儀器的制作材料均來自于實際生活，所創(chuàng)設(shè)的物理情境讓學(xué)生感到既親切又新穎，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[3]，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，也發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)。各實驗的配合使用，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的知識更加連貫。學(xué)生學(xué)習(xí)到了當(dāng)堂課的知識，也復(fù)習(xí)了之前學(xué)習(xí)的知識，做到了“溫故而知新”。

參考文獻：

[1]蔣金華，代偉，杜倩，等.水槽式洛倫茲力演示儀[J].物理實驗，2017，37（10）：58-59.

[2]劉璐婷，李豐果.“楞次定律”實驗創(chuàng)新與教學(xué)設(shè)計[J].物理通報，2019（11）：80-84.

[3]呂冬梅，葛永文.中學(xué)物理教具制作[J].畢節(jié)師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2001（03）：58-59.

（欄目編輯? ? 王柏廬）