交流电大小、方向变化演示仪

汤　廷，代　伟，段晨靓，李　青，肖贵膑

(西华师范大学,四川 南充　637002)

交流电大小、方向变化演示仪

汤廷，代伟，段晨靓，李青，肖贵膑

(西华师范大学,四川 南充637002)

摘 要：针对教科版高中物理演示交变电流的实验仪器存在的一些不足，对交流电大小变化的演示实验装置进行了改进，方法是利用满天星激光笔将原仪器看不见摸不着的磁感线用清晰可见的光点直观地展示出来。为了观察交变电流方向的变化则将两只红、绿发光二极管并联在线圈闭合回路中，利用红、绿发光二极管交替发光来演示电流方向变化，另外将大指针检流计串联在闭合线圈回路中来演示线圈切割磁场产生的感应电流大小呈周期性变化。

关键词：交变电流；磁感线；激光笔；二极管；检流计；演示仪

交变电流及与之相关的问题是当今高考的重点同时也是学生极易混淆的难点，因此通过实验探究交流电大小、方向变化得出交流电变化规律就显得更为重要，而教科版选修3-2物理第二章第一节[1]用手摇发电机探究“交变电流大小和方向”其现象观察存在一些不足。新设计的交流电大小、方向变化演示仪与原有的手摇发电机相比有两个明显的优点：一是该演示仪用“满天星”激光笔模拟穿个线圈的磁感线，进而可以直观的观察线圈在磁场中转动时通过线圈磁通量的变化，根据磁通量的变化由楞次定律便可以判断感应电流的方向；二是在电路中并联接入两组反向并联的红、绿发光二极管，当线圈转动时能清晰地看到二极管交替发光说明线框中产生的感应电流方向呈周期变化。

1原测量装置的不足

(1)磁感线是看不见、摸不着、不易观察、比较抽象的概念，原装置用蹄形磁铁产生磁场，在学习判断磁感线的方向及大小的基础上学生只能抽象地判断线圈中磁通量的变化，再根据楞次定律判断感应电流的方向。

(2)原装置用小灯泡来检测感应电流的大小和方向的变化，当线圈转动较快时看不出感应电流的大小变化，转动较慢时或者磁性不强效果又不明显。

(3)原装置看不到感应电流方向的变化规律。

2交流电大小变化演示仪的改进

2.1交流电大小、方向变化演示仪的实验原理

根据法拉第电磁感应定律和楞次定律可知，当线圈在匀强磁场中匀速转动时，穿过闭合线圈的磁通量会周期性的变化，从而产生大小和方向周期性变化的感应电流且感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。改进的演示仪器正好利用了这一定律，使线圈在匀强磁场中匀速转动，便可以得到交变电流。

图1　线圈切割磁场剖面图

图2　感应电动势、电流、电压波形图

由图1可知，若线圈从中性面开始计时线圈切割磁力线则线圈中产生的感应电流为：

e=N·2Blvsinωt=Em·sinωt=NBSωsin2πft

电流的瞬时值：i=e/R总=(Em/R总)·sinωt=Im·sinωt

电压的瞬时值：u=I·R=ImRinωt=Umsinωt

电动势、电流、电压都随时间按正弦规律变化，变化规律如图2所示。

2.2改进后的交流电大小、方向变化演示实验装置整体结构及制作方法

(1)演示仪整体结构如图3所示

图3　演示仪整体结构如图

(2)仪器制作方法：将8块长50 mm宽10 mm厚5 mm长方形强力磁石按极性粘贴在塑料支架上用来模拟匀强磁场。在塑料线圈骨架上将0.3 mm的漆包线绕1000匝做成矩形线圈，线圈两端通过集电环与两组反向并联的红、绿发光二极管串联，二极管旁边预留两个接线柱便于接入检流计，在线圈上铺上白纸并用“A、B、C、D”标注线圈的四个角上[2](判断电流方向用)，线圈与转轴、集电环、电刷、轴承组装好后放在强磁铁的中间；在仪器的最右边用塑料支架支撑满天星激光笔，当线圈垂直于水平面时保证光点均匀地打在线圈中间的白纸上，演示时用满天星激光笔打在白纸上光点的多少来模拟线圈中磁通量的变化，这样便把不可见的磁场用看得见的光点形象直观的表示出来。

2.3演示仪的使用

(1)强磁铁9产生一个近似的匀强磁场，用手匀速转动线圈转轴，发现反向并联接入线圈中的红、绿发光二极管交替发光现象如图4、图5所示，此现象能形象直观地说明在闭合线圈转动过程中线圈中产生的感应电动势方向呈周期性变化，也可按照楞次定律来进行分析得出线圈中感应电动势方向呈周期性变化，说明实验现象与理论分析一致。

图4　反向电流方向演示

图5　正向电流方向演示

(2)将接线柱6的两端接入大型检流计，使闭合线圈缓慢匀速转动，发现检流计的指针在零刻度线两边左右来回摆动如图6、图7所示， 说明闭合线圈中产生的感应电流不仅方向周期性变化而且电流的大小也周期性变化，这比用小灯泡来判断线圈中电流的大小呈周期性变化现象直观得多。

图6　反向电流大小演示

图7　正向电流大小演示

(3)打开满天星激光笔8模拟匀强磁场的磁感线,当线圈匀速转动时，用打在白纸上激光点的点数多少变化表示穿过闭合线圈的磁通量的变化，如图8所示,根据楞次定律就能轻松地判断出感应电流的方向。

图8　穿过闭合线圈的磁通量的变化演示

2.4流电大小、方向演示仪的优点

(1)新课标明确提出通过实验教学使学生掌握一定的基本实验知识技能，了解科学研究的方法，体验科学探究的过程，增强自我的创新意识和实践能力[3-4]。该实验仪器在高中课本的实验上进行改造，来源于课本但高于课本，对培养学生的探究精神和创新精神有一定的帮助。

(2)该实验装置用红绿发光二极管的发光来判断电流的方向来，使学生从视觉上更直观地观察到感应电流的方向在不断地做周期性变化，另外用检流计代替小灯泡来检测感应电流的大小和方向的变化效果也明显直观得多。

(3)用满天星激光笔打在线圈上就如同磁感线穿过闭合线圈，当线圈在转动的过程中，通过满天星激光笔打在线圈的白纸上点数的变化规律，结合楞次定律运用“右手定则”就能清楚的判断感应电流的方向，这也是该演示仪最大的亮点。

3结论

该仪器在高中物理课本上的实验进行改进，把抽象的概念转变为能够直接观察的实物。在高中教学中进行演示实验，学生能容易地理解交变电流的含义和产生交变电流的机制。

参考文献：

[1]课程教材研究所，物理教材课程研究开发中心，普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-2[M].四川：教育科学出版社，2011.

[2]张中钧.交流电演示模型制作介绍[J].物理教学，1986:06.

[3]马开宏.新课标 新理念 新要求-谈新课标对物理实验的要求和模式[J].物理教学探讨，2005(9)；23.

[4]郭俊，唐亚明.交流感应磁悬浮演示实验装置的制作[J].大学物理实验，2015(3)：70-73.

AC Demonstration Instrument Changes Size,Orientation

TANG Ting,DAI Wei,DUAN Chen-liang,LI Qing,XIAO Gui-bin

(China West Normal University,Sichuan Nanchong 637002)

Abstract：For some problems in high school physics laboratory equipment EDUCATION EDITION demonstrate the existence of alternating current,alternating current changes in the size of the paper demonstrates experimental device has been improved,method is to use a laser pointer the stars of the original instrument invisible magnetic induction line with clearly visible spot visually displayed.In order to observe changes in alternating current direction will be two red and green light-emitting diodes connected in parallel with the coil closed loop,using red,green light-emitting diode that emits light to demonstrate current direction alternately changes,in addition to large pointer galvanometer coil in series in a closed loop to demonstrate the size of the induced current in the coil cutting magnetic field generated by cyclical changes.

Key words：alternating current；magnetic line；laser；diode；galvanometer；demonstration instrument

收稿日期：2015-11-01

基金项目：西华师范大学服务基础教育课改教研重点项目(403329)

文章编号：1007-2934(2016)02-0075-03

中图分类号：G 633.7

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.020