自制实验仪器 探究感应电流产生条件

(江苏省昆山中学,江苏 苏州 215300)

“探究感应电流的产生条件”是一节实验探究课，该节内容是学习电磁感应定律和楞次定律的基础，主要通过闭合导体切割磁感线、条形磁铁与线圈发生相对运动、模拟法拉第电磁感应实验这三个实验完成教学，在教学中，应该创新、优化实验，促使学生参与到实验过程中。

1 实验器材的制作背景

1.1 课本中设计的实验方案

人教版高中物理教科书中“探究感应电流的产生条件”的实验方案如下：

(1) 如图1a所示，闭合电路的一部分切割磁感线运动时，电路中会产生感应电流；

(2) 如图1b所示，将磁铁的N或S极垂直插入线圈，观察磁铁插入、静止、抽出时电流表指针的摆动方向；

(3) 如图1c所示，将线圈A通过变阻器和开关连接到电源上，线圈B的两端连接到电流表上，把线圈A装在线圈B里面，闭合、断开开关、改变流过线圈A中的电流时，观察电流表指针的情况。

图1

1.2 课本实验的不足

(1) 关于闭合回路中的部分导体切割磁感线产生感应电流，学生仅能够明白水平面积大小的改变。

(2) “模拟法拉第电磁感应”实验运用的器材较多，而学校实验室器材数量有限，不能够满足学生的需求。另外，分析过程较为复杂，不利于调动学生的兴趣与积极性。

2 自制实验仪器的设计与制作

2.1 制作材料

强磁铁、木板、细铜丝、PVC管、泡沫塑料块等。

2.2 自制实验仪器的制作

(1) 矩形线圈制作

① 如图2所示，用PVC塑料管制作一个矩形框，尺寸为140mm×80mm，为了使矩形框能够水平伸缩，便于改变线圈的面积，制作时矩形框的左边用了Φ20的PVC塑料管，右边则用了Φ16的PVC塑料管；

图2

② 将细铜丝通过多匝均匀缠绕的方式将其缠绕于矩形框的外侧，为了确保细铜丝不脱落，在矩形框4个弯头的顶部凿出一个凹糟，将细铜丝卡到里面；

③ 运用两根长短一样的Φ16的PVC管，通过缠绕棉线、用热熔胶固定于矩形框的两端。

(2) 均匀磁场条件的实现

① 将两块木板制作成底座和支板，在支板上面固定一个长为150mm、宽为100mm、高为3mm的木板，在150mm×100mm×3mm木板的两侧凿出一个宽度为25mm、距木板中线距离为70mm的缝，并放置铁角架；

② 将两块磁铁以异极相对的方式，放置于铁角架上，并确保两块磁铁之间的距离为140mm,使矩形线圈能够自如旋转；

③ 用彩色贴纸将磁铁的N、S极标注出来，便于学生观察和教师的讲解，更便于清楚描述N极指向S极的匀强磁场。

(3) 实验仪器组装

① 用热熔胶将两个相同的方形泡沫塑料块粘于木板上，确保矩形线圈具有较好的稳定性；

② 在泡沫塑料块的恰当位置上插入Φ20的PVC管，并将矩形线圈两端Φ16的管分别插入到Φ20的管中；

③ 将矩形线圈放置于两块磁铁的中间位置，并将矩形线圈预留的两截铜丝连接到电流表上，进而构成闭合回路(如图3)。

图3

3 自制实验仪器在物理教学中的应用

在课堂上，结合“自制感应电流产生条件演示仪”开展了两个探究活动，不仅调动了学生的积极性，促使每位学生参与到实验中，加深了学生对知识的理解，为学习法拉第电磁感应定律和楞次定律打下了良好的基础。

3.1 改变匀强磁场中线圈面积的大小

自制矩形线圈具有伸缩功能，在课堂上笔者通过伸、缩矩形线圈改变线圈的面积，引导学生认真、细心观察电流表指针的偏转情况(如表1)，进而认识线圈面积大小的变化时会产生感应电流。结合图4，引导学生通过现象分析，认识到：当线圈面积发生变化时，穿过线圈磁感线的条数也会发生相应的变化，并产生感应电流。这样，在下面的学习中，学生会沿着“分析磁感线数量变化”这一思路进行分析，进而把握住“磁通量大小变化”的本质要素。

表1

图4

3.2 旋转匀强磁场中的矩形线圈

旋转线圈时，发现电流表指针会发生偏转(如表2)。在课堂上，笔者将人教版教材中出现的“有效面积”引入到课堂上，结合图5，使学生认识到在“旋转过程中线圈的有效面积发生了改变”，导致穿过线圈有效面积的磁感线数量发生了改变，进而产生了感应电流。这样，不仅将抽象的问题具象化、直观化，还加深了学生对磁通量的理解，更将“有效面积”这一概念引入到课堂上，拓展了学生的知识面，便于学生建立完善的知识结构。

表2

图5

3.3 组织开展学生自主探索活动

将学生分为3-5人的学习小组，让学生以小组为单位，通过实际操作“感应电流产生条件演示仪”，寻找其他产生感应电流的方式，并让小组代表上台进行演示。动手操作不仅有助于培养学生的实验能力，还能够拓展学生的思维，培养学生分析能力、实践能力以及探索能力，进而促使学生的核心素养得到提升。在组织开展自主探索活动过程中，教师并非是“甩手掌柜“，而要深入到学生中间，了解学生学习的实况，及时给予学生指导和点拨，实现“当堂事，当堂毕”。

4 结语

结合物理教材、学情等因素制作实验仪器，有助于帮助学生理解知识，提升学生物理知识的掌握水平，也有助于激发学生的求知欲，促使学生的学习由“被动学”向“主动学”的转变，促进学生动手能力、探究能力的提升。在自制实验仪器时，要遵循器材易得、结构简单、实验直观、误差较小等原则，始终贯彻“以学生发展为本”的理念，落实素质教育的要求，促使学生的物理核心素养得到提升。