自制“楞次定律演示仪”

自制“楞次定律演示仪”

王云天

楞次定律是高中物理的重点内容，也是难点内容，要使学生理解楞次定律，做好演示实验是关键。为了提高演示实验的效果，笔者对老师的传统实验做了改进，自制实验教具，以帮助学生更好地掌握楞次定律。

楞次定律；演示实验；放大电路；发光二极管

笔者是一名高中理科学生，平时很喜欢物理，楞次定律是高中物理的重点内容，也是难点内容。要使同学们理解楞次定律，老师做好演示实验是关键。在各种版本的物理教材中大多是采用磁铁插入和拔出线圈的演示实验方法，通过灵敏电流计观察感应电流的方向，进而判断感应电流的磁场方向，再分析感应电流的磁场方向和原磁场方向的关系，从而得出楞次定律。本演示实验存在两处困难：(1) 学生从灵敏电流计指针摆动方向转换到线圈中感应电流的方向存在一定的困难；(2) 实验过程比较短暂，灵敏电流计指针偏转角度较小，且由于电流表指针的惯性，容易给学生造成错觉，影响学生对实验现象的总结。

图1

为了使演示效果更直观明显，笔者查阅了相关资料，做了很多的尝试，在粤教版教材演示实验基础上做改进，实验方案如图1所示。

将灵敏电流计换成两个反向并联、颜色不同的一对发光二极管。当条形磁铁进、出螺线管时，如果感应电动势足够大，则其中一只二极管便会发光。从二极管的发光情况可以直接判断出感应电流的方向。这一改进可以使演示效果更为生动直观，学生能直接看出电流的方向。但是要让二极管发光，产生的感应电动势要达到2V左右。通过理论计算和动手尝试，笔者发现要想让二极管在磁铁插入、拔出瞬间发光，起码要用直径为1mm的漆包线在内径约为20mm圆筒上绕3000匝左右，而且还需用外径与圆筒内径相当的强磁铁做实验效果才比较明显。

图2

笔者在老师的帮助下，最后选用运算放大器UA741，把产生的感应电流放大，能达到良好的演示效果，实验电路如图2所示。

如图3所示，微电流放大电路部分由一只UA741CN运算放大器及反馈电阻、保护电阻、电池组构成，其增益大小取决于5MΩ反馈电阻与逆向输入端的220Ω电阻的比值，因此它的理论增益为25000倍。放大电路的电源由变压器和整流器将220V交流电转换为9V直流电提供，与一对反向并联二极管相串联的电阻可对二极管及运放芯片起到一定的保护作用，与1、4、5脚相连的分压器为放大器提供一个补偿电压，如果没有这个电压调节，就可能造成在磁场没有发生变化时，二极管也会发光，从而影响到演示实验的正常进行。

图3

实验装置的面板和背面电路如图4、图5所示，分别用8个发光二极管(一组发红光，一组发绿光)做成两个方向相反的箭头，分别表示二极管导通时电流的方向。实验时当条形磁铁插入螺线管时，其中一个二极管组成的箭头发光。条形磁铁放在里面不动时，灯熄灭。当条形磁铁从螺线管拔出时，另一个二极管组成的箭头发光。通过发光箭头的指向，学生能更直观地观察到电流的方向。

图4

图5

本装置也可以定性演示法拉第电磁感应定律，在条形磁铁快速和缓慢插入的两个过程中，从灵敏电流计的读数比较感应电流的大小。

运用该放大器，还可以检测出导线切割地磁场时产生的感应电流。将长约为2m的导线的两端接到放大器上，摇动导线可以观察到二极管发光。

笔者用此教具参加了东莞市中学生创意物理实验设计比赛，获得了一等奖，改进后的实验教具不仅演示效果好，还帮助老师较好地完成了教学重难点的讲解。

刘诚杰.电磁感应现象、楞次定律演示实验改进[J].甘肃教育学院学报(自然科学版)，2002，16(4).

(广东省东莞中学松山湖学校高三11班，广东 东莞 523808)