用电磁炉点亮小灯泡——电磁感应趣味实验设计

李锡均 程敏熙

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

目前我国高中物理选修3-2的各版本教材,通常会在“电磁感应”一章中设置有关涡流的内容．涡流与生活实际联系十分密切,教材也着重突出了这一点,如粤教版、沪科版[1-2]等多个版本的教材都在这一节中举了电磁炉的例子,引导学生理论联系实际．

然而,由于电磁场看不见、摸不着,学生对于电磁炉“发射交变磁场→引起金属锅底产生涡电流→锅底因电流热效应而发热”这一抽象过程的理解,还是有一定难度的．而且有教师指出,若单纯以实例说明来解释物理现象,而没有实验支持,会使得学生缺少感性体验,其教学效果也会变得不太理想[3]．

对此,本文拟设计一趣味演示实验,利用电磁炉发射出来的交变磁场,通过电磁感应原理点亮小灯泡．并在此过程中间接展现原本不可见的交变磁场,在激发学生兴趣的同时也加深学生对电磁感应、电磁炉工作原来等知识的理解．

具体内容如下:

1 需要的材料器具

电磁炉、铁质或不锈钢器皿、铜导线若干(或定制的高匝数线圈)、电灯底座、灯泡．

2 操作步骤

(1) 让电磁炉发射交变磁场.

图1

电磁炉内部的核心部件为一个大的导线线圈(如图1),通过对线圈通入交变电流,从而使线圈发射交变磁场．传统的旧式电磁炉只要启动开关便会发射交变磁场,但近年来随着技术的进步,以及出于安全的考虑,当前市面上的电磁炉都会自带“无锅保护”或者“空锅保护”功能．电磁炉能自动感应其受到的电磁阻尼大小,当炉上没有铁质器皿或者器皿内部为空的情况下,产生的电磁阻尼较小,电磁炉则会自动停止发射交变磁场．

对此,为了能让电磁炉持续正常工作,本文采用的办法是在炉上放置一个不锈钢碟,并在里面装适量清水(如图2)．由于整个演示实验的时间较短,一般在水沸腾以前就能完成实验,不会产生安全问题．

图2 将装水的不锈钢器皿放于电磁炉上

(2) 线圈及灯泡组合电路的制作.

电路图设计如图3所示．线圈可以自行绕制铜线制作(匝数至少要50匝)．对于条件较好的学校(配备DIS传感器实验室),可直接使用DIS系统的线圈配件(100匝)进行实验．

图3 线圈灯泡组合电路

对于灯泡的选取,应选取额定功率尽可能低的节能LED灯(本文选用了额定功率为3 W的节能灯泡),以保证线圈感应电流的功率能够点亮小灯泡,而且LED灯的发光视觉效果较好,能更加吸引学生的眼球．否则使用常规实验室的小灯泡亦可．最后组合装置如图4．

(3) 实际演示.

图5 最终演示效果

上述准备工作完成后,将线圈放置在电磁炉的正上方,灯泡即被交变磁场产生的感应电流点亮了(如图5)．实验演示者还可以适当地将线圈向上,或向左右移动,可观察到灯泡的亮度相应的变暗,通过这种适当调整线圈位置的方法,便可根据相应的灯泡亮度间接“看见”交变磁场的位置．

另一方面,由于电磁炉发出的磁感应线是封闭的闭合曲线,因此适当转动线圈的角度,也可观察到灯泡亮度的变化．

3 结语

总的来说,本实验所需材料源于生活,简单易得,大部分物品可从五金店购取,实验难度与实验成本较低．

本文作者曾在实习期间讲到涡电流一节时演示了此实验,在灯泡被点亮时教室中响起了此起彼伏的惊叹声,可见实验现象对学生有着强烈的吸引力．

除此之外,本实验还适合学生课外制作．有几名不在执教班级但又相熟的学生,在本文作者的指导下,回家自主进行了此实验,并取得了良好的实验效果．学生们表示,此动手过程激发了他们的学习兴趣．而且实验成功之时,在家人们惊异的眼光中,他们也获得了不少的成就感．

1 束炳如. 物理选修3-2[M]. 上海:上海科技教育出版社, 2004.

2 保宗悌. 物理选修3-2[M]. 广东:广东教育出版社, 2005.

3 徐益勇. 涡流热效应演示实验的改进[J].物理教师,2016,37(1):57-59.