浅谈使用铝框做线圈骨架有什么好处

米树理

摘要：本文针对《普通高中课程标准实验教科书》物理选修3-2第27页“思考与讨论”栏目中的“使用铝框做线圈骨架有什么好处”的问题进行了探讨，并找到了答案：结合磁电式仪表的工作原理，线圈骨架应选择质量小、电阻率小的非磁性材料，而铁、铝、铜三种常用金属中，铝最合适。在找寻这类问题答案的过程中，笔者得出体会：这类问题在《普通高中课程标准实验教科书》中有很多，教师应当自己先多动脑，然后要鼓励学生多动脑，使学生不仅知其然而且知其所以然，使学生在探究这类问题答案的同时可以发挥自主学习能力，发展其思维能力，使学生真正有所获，有所发展。

关键词：线圈骨架 电磁阻尼 惯性

G633.7

针对《普通高中课程标准实验教科书》物理选修3-2第27页“思考与讨论”栏目中的“使用铝框做线圈骨架有什么好处”的问题，因为《教学参考书》中未作任何说明，所以在备课过程中被提出来之后，高二年级备课组的几位教师之间展开了热烈的讨论。

我们查阅了《高级中学课本》（甲种本）第三册，《全日制普通高级中学教科书》（必修加选修）第二册，两书中的处理方式一样，都是在学习安培力之后介绍电流表（磁电式仪表）的工作原理：“这种电表的构造是在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，铝框上饶有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针。线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过这两个弹簧流入线圈。蹄形磁铁和铁芯的磁场是均匀辐向分布的，不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，当电流通过线圈的时候，线圈上跟铁柱轴线平行的两边都受到安培力，这两个力产生的力矩使线圈发生转动。线圈转动时，螺旋弹簧被扭动，产生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈转动角度的增大而增大。当这种阻碍线圈转动的力矩增大到同安培力产生的力矩相平衡时，线圈停止转动。”在学习涡流，电磁阻尼时，介绍铝框的作用：“电学测量仪表要求指针的摆动很快停下来，以便可以迅速读出示数。前一章讲的电流表，线圈要绕在铝框上，铝框就起这种作用。当被测电流通过线圈时，线圈带动指针和铝框一起转动，铝框在磁场中转动时产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它们的摆动，使指针能很快的指到示数位置上。”没有问“使用铝框做线圈骨架有什么好处？”也没有为什么要用铝框做线圈骨架的任何说明。通过对问题的进一步分析，我们认识到新旧教科书对同一知识的呈现方式不同，认为这是一个理论联系实际的开放性问题，答案不唯一。这个问题的解决过程，实际上设置了这样一个情景，就是要学生象科学家运用理论知识结合磁电式仪表的原理以及电磁阻尼的知识探究选择做线圈骨架的材料一样，通过认真的，全面的思考和分析，认识到理论与实际的差距，体会到经过努力终于完成一项任务的成功的喜悦，培养学生学习物理的兴趣。使用铝框做线圈骨架的优点应该是与其它常用金属（如铁、铜）做线圈骨架比较的结果。按照这个思路，我们集中讨论用铝框做线圈骨架比用铁、铜框做线圈骨架有什么好处。

观点一：铁是磁性材料，如果用铁做线圈骨架，铁被磁化后被永磁铁吸住不能转动，就指针也不能动了，就没法测量了；如果用铝框做线圈骨架则没有这个问题。

观点二：磁电式仪表的磁场分布有其特殊的要求，如果用磁性材料做线圈骨架，会影响电表磁场的分布，破坏电表的性能。铝则不然。

观点三：同样的铝框比铁框的电阻小，涡流强，电磁阻尼效果好，指针能很快地稳定指到读数位置上。

观点四：按照以上观点，为什么不用铜呢？铜不是磁性材料，不会影响电表磁场的分布；同样的铜框比铝框的电阻还小，涡流更强，电磁阻尼效果更好。

观点五：同样的铝框比铁（或铜）框的质量小，惯性小，在电磁阻尼的作用下指针能很快地稳定指到读数位置上。

之后又查了《普通物理学实验》（二。电磁学部分），实验十一，《灵敏电流计特性的研究》（磁电式仪表），阻尼分为三种，欠阻尼运动，临界阻尼运动，过阻尼运动。例如測2A的电流，当外加电流通过灵敏电流计使线圈发生转动时，由于惯性和动能的作用，指针不可能一下停止在2A处，要继续向前转，等转过一个角度，在螺旋弹簧的作用下，又要向回转动，在电磁阻尼效的作用下，指针来回转动几次之后才停下，这种是欠阻尼运动；等转过2A处一个角度，在螺旋弹簧和电磁阻尼的作用下，转回到2A处恰好停下，这种是临界阻尼运动；等转过2A处一个角度，在螺旋弹簧和电磁阻尼效的作用下，以非常缓慢的速度转到2A处停下，这种是过阻尼运动。磁电式仪表的指针在转动后停在指示值所需时间越短越有利，因此通常使指针的运动在近临界的阻尼运动状态。

综合上述观点，结合磁电式仪表的工作原理，线圈骨架应选择质量小，电阻率小的非磁性材料.那么铁、铝、铜三种常用金属中，铝最合适.

事实上，这类问题在《普通高中课程标准实验教科书》中很多.我认为，这一方面是为了被迫学生动脑， 这另一方面也是为了被迫教师动脑.通过被迫教师动脑，先让教师熟悉和掌握动脑的方法和技巧，然后引导学生轻车熟路的动脑，使学生不仅知其然而且知其所以然，使学生在探究这类问题答案的同时可以发挥自主学习能力，发展其思维能力，使学生真正有所获，有所发展。而教师在备这类问题时，借助于年级备课组这个平台，发挥集体的智慧，集思广益，比一个人单打独斗要好，而且可以提高教师的教学能力，不断发展。

参考文献：

杨述武主编，：《普通物理学实验》（二 电磁学部分）高等教育出版社1992年版endprint