自制磁通量变化演示器

山东省莱芜市第一中学 朱章华

一、磁通量变化演示器的提出

磁通量是中学物理中重要的物理概念，同时这一概念也非常抽象，老师不好讲，学生不好理解。究其原因是磁感线看不见、摸不着，面积的变化的理解还需要较强的三维想象能力，导致这个概念在教和学中遇到了很大的困难。为此我研发了用激光柱来代替磁感线的一套“磁通量变化演示器”。

二、磁通量变化演示器的结构说明

面积板如图1所示。面积板中心是有机玻璃（亚克力），亚克力边缘用铝框固定绿色LED灯带，灯带需要12V恒流电源，为了避免电源线的缠绕，需要图示的铜刷和弹簧片配合，接线柱接12V电源。支撑板固定在图2的亚克力容器的外壳上。图1的右侧有摇把，可以旋转整个面积板，用来改变面积板和磁感线的夹角。亚克力容器如图2所示，容器正当中是门，门的左右两侧有支撑孔，把图1的装置安装在容器里。

激光源采用的是激光笔，它带有激光旋转头，可以调出各种图案，可以出现密集和稀疏的斑点，正好供我们模拟磁感线使用。其缺点是：1.功率比较低，所以我们在实验的时候要加上烟雾才能看到光柱；2.需要用手拿着。另外一种方案是采用9个激光头，功率增加，间隔均匀镶嵌在亚克力的容器上面。好处就是不用手拿着，比单个激光柱的功率大些，烟雾小一些就行。

图1 面积板的结构

图2 亚克力容器

三、磁通量变化演示器的演示方法

（一）磁通量概念简介

设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面 (图 3)，磁场的磁感应强度为B ，平面的面积为S ，我们定义磁感应强度B与面积S的乘积，叫作穿过这个面积的磁通量，如果用Φ表示磁通量，则Φ=BS。磁通量的意义可以用磁感线形象地加以说明。我们知道，在同一磁场的图示中，磁感线越密的地方，也就是穿过单位面积的磁感线条数越多的地方，磁感应强B越大。因此，B越大，S越大，穿过这个面的磁感线条数就越多，磁通量就越大。如果平面跟磁场方向不垂直，我们可以做出它在垂直于磁场方向上的投影平面。从图4可以看出，穿过斜面和投影面的磁感线条数相等，即磁通量相等。

图3 面积和磁感线垂直的情形

图4 面积和磁感线有锐角的情形

（二）演示平面方向变化与磁通量变化关系的操作步骤

1.取少量的烟雾饼，并将其点燃，放入容器，关闭容器小门。如果没有烟雾饼可以用点香产生的烟雾代替，注意不要让香火接触或靠近亚克力板，否则会损坏亚克力板。

2.给绿色LED灯带通电，点亮面积板。

3.调试激光灯，使其发出点阵光斑，从上面射入（也可以加凸透镜使其成为平行光），让学生从上面和侧面观察。

调节激光灯柱，调节出密集和稀疏的激光斑点，学生可以看到同一面积，激光柱不同，验证磁通量和磁感应强度有关。

4.旋转摇把，让学生仔细观察激光柱通过面积板的变化情况，理解磁通量和面积的关系。

（三）演示切割磁感线的情况

1.重复上面的1～3步骤。

2.让激光灯从上面照射面积板，学生仔细观察面积板的四个边缘切割磁感线的情况。

3.让激光灯从侧面照射面积板，学生仔细观察面积板的四个边缘切割磁感线的情况。

四、磁通量变化演示器的效果

1.演示器用绿色LED照亮亚克力做成的面积板，绿色光充满亚克力板子，散射出来的光线，让我们能清楚看见面积板的位置和大小。图5是做好的演示器。

图5 做好的演示器

2.演示用的激光柱采用小功率的笔式激光灯，它可以发出不同的斑点，但是我们这个实验用到的光柱的距离比较短，可以几乎不用考虑这个问题。如果比较在意，可以用凸透镜汇聚一下，但是不容易买到面积这么大的凸透镜。用激光笔的好处是可以任意调整入射的位置。

3.红绿光交叉显示，显示效果对比好。