自制低成本電磁阻尼演示器

山東省濟(jì)寧市實(shí)驗(yàn)中學(xué)(272023) 王富民

1 問題的來源

在學(xué)習(xí)人教版普通高中物理教科書選擇性必修第二冊第2章第1節(jié)“楞次定律”和第3節(jié)“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”時(shí)，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的作用力是否滿足牛頓第三定律，電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象是否都能用楞次定律來解釋。在沒有現(xiàn)成的教學(xué)儀器的情況下，筆者利用自制的低成本電磁阻尼演示器演示電磁阻尼現(xiàn)象。

2 問題的解答

當(dāng)導(dǎo)體與磁體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第三定律，作用力與反作用力是同一種性質(zhì)的力，即感應(yīng)電流的磁場與強(qiáng)磁鐵磁場之間的相互作用力——磁力；導(dǎo)體所受安培力的施力物體是磁體，磁體所受磁力的施力物體就是導(dǎo)體(因?yàn)閷?dǎo)體有暫態(tài)的磁性，其磁性是由感生電流產(chǎn)生的)。固定的磁體能阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，固定的導(dǎo)體同樣也能阻礙磁體的運(yùn)動(dòng)。

只要磁體與閉合電路之間有相對運(yùn)動(dòng)并引起閉合電路中的磁通量發(fā)生變化就一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生；感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，安培力的方向總是阻礙磁體與閉合電路中導(dǎo)體的相對運(yùn)動(dòng)。

理解了電磁阻尼也就不難理解電磁驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檫@兩種現(xiàn)象中的閉合電路中的導(dǎo)體都是受到了安培力的作用。電磁阻尼現(xiàn)象一般是磁體不動(dòng)，固定的磁體阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)；電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象一般是運(yùn)動(dòng)的磁場驅(qū)動(dòng)受安培力的導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)。電磁阻力和電磁驅(qū)動(dòng)的作用力滿足牛頓第三定律，電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象都能用楞次定律解釋。

3 低成本電磁阻尼演示器的制作

制作材料：長15 cm、寬10 cm、厚 1 cm的木板1塊，長32 cm、寬6 cm、厚 0.5 cm的木板1塊，2根長50 cm、內(nèi)徑2.5 cm的鋁管，直徑2 cm、長3 cm的銅柱1個(gè)(廢鎖芯制作)，直徑2 cm、厚2 mm的釹鐵硼強(qiáng)磁鐵10粒吸合成1個(gè)強(qiáng)磁鐵(網(wǎng)購)。

制作：將2塊木板用木螺釘固定成L形，豎直鋁管下端懸離水平木板6 cm，將2根鋁管用熱熔膠固定在長木板上，制作完成的教具如圖1所示。

圖1 低成本電磁阻尼演示器

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)意義

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將銅柱、強(qiáng)磁鐵同時(shí)從2個(gè)豎直鋁管上端放下，會(huì)看到銅柱先落下，銅柱、強(qiáng)磁鐵下落時(shí)間差距非常明顯。此實(shí)驗(yàn)給學(xué)生留下深刻的印象，能增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)驗(yàn)的意義：①有利于學(xué)生理解人教版普通高中物理教科書選擇性必修第二冊第25頁的“思考與討論”；②有利于學(xué)生理解并解釋教材第28頁的“練習(xí)與應(yīng)用”第5題；③有利于學(xué)生完成教材第29頁的“做一做”；④有利于學(xué)生完成教材第37頁的“練習(xí)與應(yīng)用”，理解并解釋第1至5題。

學(xué)生完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，有利于理論聯(lián)系實(shí)際，獨(dú)立完成教材上的習(xí)題也就成了很快樂的事，而不再是學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)；教師可以將此教具作為一種學(xué)具，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手制作。