多功能電渦流演示儀

劉 通，王澤源，于 琪

(1.天津師范大學 物理與材料科學學院，天津 300387;2.天津市實驗中學，天津 300074)

1 高中渦流實驗教學中的不足

高中物理教材在“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動”中，分析了感生電動勢，對其形成的原因進行了初步探討后，介紹了渦流及其成因、渦流的熱效應和機械效應[1]. 在機械效應方面，設(shè)置了簡易的電磁阻尼擺實驗和三相電流的電磁驅(qū)動實驗，由于在教學過程中缺少配套、有效的演示實驗裝置，導致學生對該部分內(nèi)容的直觀認知有所缺失[2]. 傳統(tǒng)教學方式與新課改中注重課程的時代性，關(guān)注科技進步和社會發(fā)展需要的教學理念[3]及教學目標相沖，在一定程度上不利于學生核心素養(yǎng)的進一步發(fā)展. 為解決以上問題，本文應用渦流的產(chǎn)生機制和機械效應原理，制作了集懸浮、制動、驅(qū)動、發(fā)電于一體的多功能電渦流演示儀. 此實驗儀可以讓學生直觀地觀察到渦流現(xiàn)象，幫助學生理解渦流的物理圖象. 除教師的講解外，學生還可以通過原理進一步定性地分析渦流的技術(shù)應用.

2 多功能電渦流演示儀的原理

2.1 設(shè)計思路

有關(guān)電磁阻尼和電磁驅(qū)動演示實驗創(chuàng)新與改進的文獻有很多，例如文獻[4]介紹了4種實驗教具的相關(guān)制作和應用，文獻[5-6]介紹了釹磁鐵沿金屬板下滑的創(chuàng)新型實驗. 這些演示實驗具備以下優(yōu)點：

1)演示實驗的現(xiàn)象明顯，能夠引發(fā)學生探索的興趣和思考.

2)制作和操作方法簡便,實驗裝置取材方便.

3)在教具設(shè)計理念方面，部分實驗想法新穎，構(gòu)思巧妙. 另外，還有部分實驗將教材中涉及的實驗進行了改進.

4)在教具設(shè)計原理方面，部分原理在演示實驗后再向?qū)W生進行解釋，學生會更容易理解.

通過以上總結(jié)，可以看出目前電磁阻尼和電磁驅(qū)動演示實驗優(yōu)點突出，但不足也較為明顯. 主要表現(xiàn)在以下方面：

1)時代性：演示實驗與實際生產(chǎn)生活有一定程度的脫離.

2)推廣性：演示實驗儀器無法批量生產(chǎn).

3)創(chuàng)新性：目前的實驗改進主要集中于磁鐵在塑料管和鋁管當中的運動，蹄形磁鐵貼近鋁盤的制動以及釹磁鐵沿金屬板構(gòu)成的斜面下滑這3個實驗，因此在設(shè)計方面存在一定程度的重復.

4)發(fā)展性：上述演示實驗不利于進一步拓展和提高學生對原理的深層次理解.

基于以上原因，設(shè)計了多功能電渦流演示儀，其設(shè)計理念為：在目前相關(guān)研究成果優(yōu)點的基礎(chǔ)上，聯(lián)系課標要求與物理演示實驗的特點，分別從時代性、推廣性、創(chuàng)新性和發(fā)展性4個方面進行思考，綜合解決以往演示實驗出現(xiàn)的問題. 將該演示儀應用于課堂教學中的各個環(huán)節(jié)，幫助一線教育工作者構(gòu)建層次清晰、邏輯緊密的課程.

2.2 演示儀實驗原理

在電磁設(shè)備中常常存在大塊金屬，當這些金屬塊處在變化的磁場中或相對磁場運動時，其內(nèi)部會產(chǎn)生感應電流，此時可以將金屬看做是由一系列半徑逐漸變化的圓柱狀薄殼組成，每層薄殼自成閉合回路，從而在每層薄殼中產(chǎn)生的電流流線呈閉合渦旋狀，如圖1所示. 將這種金屬導體中的感應電流叫做渦電流，渦電流產(chǎn)生的機械效應在工程技術(shù)中有著非常廣泛的應用.

圖1 導體中的渦流示意圖

磁懸浮、電渦流非接觸制動、電渦流非接觸傳動和電渦流發(fā)電這4種現(xiàn)象的原理均為電磁阻尼與電磁驅(qū)動，只是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)置上有一定的差異. 將實驗原理圖簡化為如圖2所示的俯視圖，選取左側(cè)的鋁盤區(qū)域abcd(區(qū)域的大小和形狀可以任意假設(shè))作為研究對象. 演示儀的4個懸臂上懸掛的都是磁鐵，磁鐵的極性不確定，為討論問題的方便，先假設(shè)演示儀中靠近鋁盤的磁鐵面均為N極，磁鐵在鋁盤上方，因此磁感線的方向為垂直紙面向里.

圖2 電磁阻尼演示

當鋁盤由左向右運動時，穿過鋁盤的磁通量逐漸增加，根據(jù)楞次定律，abcd中將會產(chǎn)生感應電流，感應電流的方向為逆時針，產(chǎn)生的安培力會阻礙鋁盤進入到磁場區(qū)域中，磁鐵和鋁盤之間的受力情況如圖3所示. 具體表現(xiàn)為： a. 鋁盤受到向下的斥力F1和與鋁盤運動方向相反的切向力F2，如圖3(a)所示；b. 磁鐵受到向上的斥力F1′和與鋁盤運動方向相同的切向力F2′，如圖3(b)所示.

(a) 鋁盤受力情況 (b) 磁鐵受力情況圖3 受力情況

下面分別介紹磁懸浮、電渦流非接觸制動、電渦流非接觸傳動和電渦流發(fā)電這4種現(xiàn)象的實驗原理.

2.2.1 磁懸浮

采用磁性較弱的磁鐵(對鋁盤運動的影響較小)，使其在豎直方向上能夠自由活動，水平方向上被固定，如圖4所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消，達到穩(wěn)定后實現(xiàn)懸浮.

圖4 磁懸浮懸臂

2.2.2 電渦流非接觸制動

采用磁性較強的磁鐵(對鋁盤運動的影響較大)，使其被完全固定，即磁鐵既不能在豎直方向上運動也不能在水平方向上自由轉(zhuǎn)動，如圖5所示. 鋁盤將受到豎直向下的力和與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相反的斥力，產(chǎn)生的感應電流與磁極發(fā)生相互作用，阻礙鋁盤的運動. 磁鐵和鋁盤之間的距離越近，阻礙效果越明顯；距離過近時，鋁盤幾乎不再轉(zhuǎn)動.

圖5 電渦流非接觸制動懸臂

2.2.3 電渦流非接觸傳動

采用磁性較弱的磁鐵(對鋁盤運動的影響較小)，在兩端磁鐵中間銜接可以轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸，這時磁鐵在豎直方向和水平方向上均能夠自由移動，如圖6所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消，除此之外，磁鐵還受到與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相同的力，從而導致懸臂上兩端磁鐵發(fā)生轉(zhuǎn)動. 磁鐵與鋁盤之間的距離越近，轉(zhuǎn)速越快.

圖6 電渦流非接觸傳動懸臂

2.2.4 電渦流發(fā)電

采用磁性較弱的環(huán)狀磁鐵(對鋁盤運動的影響較小)，在環(huán)狀磁鐵中間固定轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上連有簡易的發(fā)電機，如圖7所示. 環(huán)狀磁鐵將受到與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相同的力，導致轉(zhuǎn)軸高速轉(zhuǎn)動，從而帶動內(nèi)部的發(fā)電機發(fā)電，使得發(fā)光二極管發(fā)出明亮的白光.

圖7 電渦流非接觸傳動懸臂

3 多功能電渦流演示儀的使用

3.1 演示儀結(jié)構(gòu)

實驗裝置如圖8所示，箱體上方左右分別為操縱桿和鋁盤，箱體內(nèi)部有令鋁盤高速轉(zhuǎn)動的電機，操縱桿上有4個懸臂，左側(cè)2個懸臂依次可演示發(fā)電和制動現(xiàn)象，右側(cè)2個懸臂依次可演示傳動和懸浮現(xiàn)象. 根據(jù)演示要求的不同，懸臂上懸掛4塊形狀、磁性不同的磁鐵，用來產(chǎn)生磁場. 操縱桿的最上方為把手，轉(zhuǎn)動把手可以使旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動，從而可分別調(diào)節(jié)4個懸臂轉(zhuǎn)動至鋁盤的正上方. 把手與下端固定桿之間連有彈簧，通過施加力改變彈簧的形變實現(xiàn)懸臂的升降. 演示儀的4個懸臂對應4個獨立的實驗現(xiàn)象，其設(shè)計的關(guān)鍵在于懸臂和高速轉(zhuǎn)動的鋁盤. 掌握該演示儀的設(shè)計思路，結(jié)合以上實驗原理，即可發(fā)掘身邊的器材自制與該演示儀相同的教學演示儀器.

圖8 多功能電渦流演示儀

3.2 實驗步驟及現(xiàn)象

3.2.1 電渦流磁懸浮

1)按動操縱桿，使磁鐵緩慢靠近鋁盤；

2)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn)，隨著鋁盤轉(zhuǎn)速增加，磁鐵逐漸懸?。?/p>

3)磁鐵懸浮到一定高度時，將保持在該高度不變.

3.2.2 非接觸電渦流隔離傳動

1)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn)；

2)按動操縱桿，使磁鐵緩慢下降；

3)將旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)到鋁盤上方，隨著旋轉(zhuǎn)桿接近鋁盤，觀察到旋轉(zhuǎn)桿也旋轉(zhuǎn)起來.

3.2.3 非接觸電渦流制動

1)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn)；

2)按動操縱桿將磁鐵轉(zhuǎn)到鋁盤上方，且使磁鐵逐漸靠近鋁盤，觀察到鋁盤的轉(zhuǎn)速逐漸減小.

3.2.4 非接觸電渦流發(fā)電

1)開動電機使鋁盤旋轉(zhuǎn)；

2)按動操縱桿將電渦流微型發(fā)電機轉(zhuǎn)到鋁盤上方，并使其逐漸靠近鋁盤，觀察到微型發(fā)電機迅速轉(zhuǎn)動，并立刻發(fā)電，使得發(fā)光二極管發(fā)出白光.

在實驗過程中，由于鋁盤轉(zhuǎn)速較高，懸臂上的各裝置不能緊貼鋁盤，以防裝置發(fā)生摩擦而損壞.

4 多功能電渦流演示儀的設(shè)計特點

在課堂教學中，采用多功能演示儀演示與電渦流相關(guān)的各種實驗現(xiàn)象時，能夠產(chǎn)生如下效果：

1)實驗現(xiàn)象明顯直觀，輔助物理課堂教學，激發(fā)學生學習物理的興趣. 演示儀涉及的4個實驗是學生在日常生活中不常遇到的，但在日常生活中又有一定的應用，因此通過教師引導學生觀察實驗現(xiàn)象，可以使學生在學習相關(guān)知識前先獲得一定的感性認知.

上述實驗現(xiàn)象能夠讓學生感到新奇、有趣，進而使學生在頭腦中形成關(guān)于渦流的物理表象，并意識到用已有的知識基礎(chǔ)不能夠解釋上述現(xiàn)象，產(chǎn)生認知沖突，為后面的渦流概念和應用的學習奠定了基礎(chǔ).

2)結(jié)合了楞次定律、渦流和電磁阻尼的原理，幫助學生完善物理概念的建構(gòu). 渦流是學生構(gòu)建電磁場理論的重要鋪墊，是完善電磁場理論較為重要的環(huán)節(jié). 如果學生不能形成對物理概念和物理規(guī)律的完整認知，將可能誤認為物理概念和物理規(guī)律是零散的、毫無邏輯的知識點.

課堂教學中，教師可以結(jié)合多功能電渦流演示儀講解渦流及其成因、電磁阻尼和電磁驅(qū)動等內(nèi)容，幫助學生進一步加深對渦流概念的理解，并用渦流和電磁感應的原理正確解釋日常應用，從而達到物理概念提煉與升華的目的.

3)緊密聯(lián)系電渦流在現(xiàn)代工程技術(shù)中的應用，引導學生正確認識STSE(科學、技術(shù)、社會、環(huán)境)的關(guān)系，增強其掌握科學知識的責任感.

新課程改革后，高中物理課程在內(nèi)容上更加注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，在教學中展現(xiàn)當代科學技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學思想尤為重要. 本演示儀的4個現(xiàn)象是現(xiàn)代生產(chǎn)生活應用中會涉及到的內(nèi)容，教師可以以此為基礎(chǔ)，向?qū)W生介紹一些具體的應用案例，例如：磁懸浮列車、渦流制動器等，讓學生意識到科學研究和應用科學技術(shù)為生活帶來的便利，以及為國家的綜合國力提升帶來的重要價值，從而促進學生掌握科學知識，增強學生建設(shè)祖國、推進科技發(fā)展的責任感.

5 結(jié)束語

通過對高中渦流演示實驗進行改進，設(shè)計制作了多功能電渦流演示儀，以更好地幫助學生掌握渦流的相關(guān)知識，構(gòu)建完整的電磁學理論體系. 同時，通過實驗演示可以激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的觀察能力，完善學生物理概念的建構(gòu)，為學生物理觀念的形成奠定了基礎(chǔ)，并增強了學生學習物理學科的動力，從而達到優(yōu)化教學的效果.