家用电磁炉在物理演示实验中的巧用

肖 永

(宿迁高等师范学校,江苏 宿迁 223800)

·实验研究·

家用电磁炉在物理演示实验中的巧用

肖 永

(宿迁高等师范学校,江苏 宿迁 223800)

物理学是一门以实验为基础的科学,在物理教学中利用日常用品做物理演示实验,不仅能体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念,而且可以增进学生对物理学科的亲近感,提高学生的参与程度,提升学生学习物理的兴趣和探究能力.本文用常见的电磁炉演示电磁感应现象,让物理真正走进学生的生活,让他们感受物理就在自己的身边.

电磁炉;演示实验;电磁感应

电磁炉是家庭必备厨具,是利用电磁感应原理制成的高效节能烹饪器具.电磁炉是由高频感应线圈(励磁线圈)、高频电流转换电路、控制电路及铁磁性锅底炊具组成,其工作原理是:先将220V、50Hz的交流电经过整流电路转换为310V直流电,再经过LC振荡电路转换为15kHz～30kHz的高频交流电,高频交流电通过电磁炉陶瓷板下方的扁平螺旋状的环形线圈形成高频交流磁场,该磁场的磁感应线穿透上方的陶瓷平板后,若作用于平底铁质锅具,会产生涡流,高速发热，以达到加热食品的目的.

根据电磁感应定律，高频交变电流的磁场若作用于线圈，便能在线圈中产生电动势,将其电压输出，能达到向外供电的目的.若作用于轻质铜环、铝环，便能在其中产生涡流,对外显示涡流的力效应.笔者利用电磁炉励磁线圈能提供交变磁场的功能,开发了电磁感应实验,不仅解决了现有器材难于满足教学要求的问题,而且能有效地提高教学质量、培养学生的核心素养及创新意识.

我们在生活中使用的电磁炉具有多重保护功能,比如有过压保护、过流保护、防干烧保护、锅具检测保护等.如果在电磁炉上不放锅具,电磁炉就不能正常工作,并发出无锅具报警，我们的实验就无法进行.为了能让实验得以顺利进行,笔者在实验中用了一块12×15厘米的铁板来代替锅具,这样就可以“欺骗”电磁炉,让它能够检测到锅具,从而不让其锅具检测保护电路工作，让实验得以进行,电磁炉就成了我们高频交变磁场的实验平台.

实验材料:电磁炉，LED灯泡，40W白炽灯泡，40W日光灯管，易拉罐，铁板，J2423型可拆变压器，楞次定律演示器.

实验一:用电磁炉点亮LED、白炽灯泡、日光灯管

图1

(1) 如图1所示，首先将LED与1-2匝线圈连接,将其放置到电磁炉的台面上,并将铁板放在中间,开启电磁炉,可以看到铁板在被加热的同时,LED发光.实验告诉我们电磁炉产生的高频交变磁场穿过了闭合的含LED电路,使穿过闭合电路的磁通量发生了变化,因此产生了感应电动势，驱动LED发光.

(2) 如果将LED换成40W白炽灯泡,并换用可拆变压器的副线圈(400-500匝),两者串联起来形成闭合回路.重复以上实验,可以看到白炽灯泡完全可以被点亮.实验时如果将一根铝制管材插到线圈中,可以观察到LED或白炽灯泡将会有所变暗,这说明铝制材料是非铁磁性材料.如果实验时在电磁炉台面与线圈之间放置一块薄的金属铝板,我们会发现LED或白炽灯泡将完全熄灭,这说明铝制金属板对电磁场有一定的屏蔽作用.

(3) 我们还可以将上面实验中的40W灯泡换成平时我们常用的日光灯管,接到可拆变压器的原线圈(1500匝)上,开启电磁炉同样可以看到日光灯管被点亮,说明电磁炉工作时产生的交变磁场在线圈中产生了很高的交流电压，驱动日光灯管发光.

实验二:用电磁炉验证楞次定律

图2

实验装置如图2所示,首先将铁板放置在电磁炉的灶台面板上的一侧,再将演示变压器中的铁芯放置在另外一侧,并将条形铁芯放置在U形铁芯的一个立柱上面.楞次定律演示器中有一个闭合环,将这个闭合环靠近铁芯,此时给电磁炉通电并启动电磁炉,可以看到通电后闭合的圆环被铁芯排斥，从而发生偏转,这是因为电磁炉工作时产生的高频交变磁场通过铁芯的引导穿过了圆环,根据楞次定律，闭合环产生的感应电流会阻碍磁通量的变化，从而产生排斥.如果换上开口环而不是闭合环,那么就看不到相互排斥的现象，因为此时开口环中没有电流.

实验三:用电磁炉演示涡流的力效应

图3

实验装置如图3所示,将铁板放置在电磁炉灶台上一侧,再将另一侧放置一只铝质空易拉罐,然后开启电磁炉,可以看到易拉罐会转动并快速离开电磁炉灶台而滚落到地面.这是因为电磁炉产生的高频交变磁场在铝质易拉罐中产生了涡流,由于高频交变磁场对涡流又有力的作用，从而使易拉罐受力而滚落.

本实验中还可以在易拉罐两侧，对称地各钻一个小孔,用细钢丝穿过两孔,以此为轴让易拉罐自由转动,开启电磁炉后,用手拿着钢丝的两端将易拉罐的一部分(不是全部)靠近电磁炉台面,这时易拉罐会旋转起来,而且放在不同地方时转速不同.这是因为易拉罐的一部分放置在电磁炉台面上,铁板减弱了电磁炉所产生的高频交变磁场,易拉罐这一部分中涡流较弱,力矩较小,而没有被遮挡的部分涡电流较强,力矩较大，易拉罐在力矩作用下发生转动.

实验四:用电磁炉演示涡流的热效应

图4

由于块状金属内的感应电流,金属盘内的感应电流我们看不见摸不着,可以通过电流的热效应(即电流通过电阻时会发热)把感应电流呈现出来.将铁板放置在电磁炉的台面上并在铁板上放置2-3根火柴,启动电磁炉,1分钟后可以看到火柴被点燃.还可让插有火柴的金属盘靠近工作中的励磁线圈,火柴会被点燃.这说明金属盘发热了,支持了金属盘内会产生感应电流这一观点.

变化的磁场穿过块状金属导体时,导体内就会产生感应电流,这种电流叫作涡流.通过前面实验得知：导体中有涡流时会发热,说明涡流像其他电流一样也具有热效应.涡流的热效应在生活、生产中有重要的应用,如电磁炉、真空冶炼炉都是利用涡流的热效应来工作的.

物理是一门来源于生活而高于生活的科学,利用身边的日常生活用品去做实验,这对学生来说感到格外亲切,可以拉近科学与生活的距离,让学生深切地感受到科学的真实性,正确认识科学和社会、生活的关系.

[1] 卢洲.电磁炉的简易教学演示[J].物理教学,2008,(4).

[2] 丁骏.电磁炉使用中的几个物理问题[J].物理教学探讨,2007,(3).