磁生电发声乐器电磁感应演示仪

王 磊 陈建文

一、电磁感应现象的发现

有一个关于电磁感应的故事，法国著名物理学家阿拉果(如图1所示)在1824年做了一个圆盘实验，他发现在悬吊的磁针下置一铜圆盘(如图2所示)，当转动铜圆盘时，磁针会随之转动，但稍有滞后，反之，转动磁针，铜圆盘也随之转动[1]。这个实验在科学界引起了很大的震动，但当时全世界无人能圆满地解释，直到1831年法拉第发现了电磁感应效应后，才对这个实验有了较正确的解释[2]。铜圆盘相对磁体运动，铜圆盘各个局部磁通量发生变化，产生感应电流，奥斯特早已发现电流的磁效应，转动的铜圆盘相当于排满了小磁针，吸引着上方磁体跟着铜圆盘一起转动。

图1 法国物理学家阿拉果

图2 圆盘实验示意图

二、电磁感应中学阶段的教学设备

电磁感应是物理学科中相当重要的知识，充分理解该部分内容是以后学习发电机、变压器等复杂设备的基础。但是由于电、磁的直观性差，传统的授课方法缺乏有效的启发作用，造成了电磁感应成为高中物理学习中的一个难点，教师在开始教学前通常会利用简单教具为学生演示，教师利用辅助教具直观、形象地演示某种科学现象，可以提高学生的学习兴趣并充分调动积极性，是一种非常有效的教学手段。尤其是在理科教学中，通过演示某些有趣的现象，引发学生提出疑问进而开动大脑进行思考是非常值得倡导的教学方式。在电磁感应教学中，常用的演示仪器有两种：(1)在线圈内移动磁体产生感应电流(如图3所示)；(2)交流电原理演示仪器(如图4所示)。

图3 感应电流产生演示仪器

图4 交流电原理演示仪器

第一种实验设备是通过动磁场来引起线圈产生感应电流使电流表指针发生偏转，这个实验操作简单、效果明显，是当下中国各个高中普遍使用的实验设备。但该实验的实验效果相对单一，难以体现电磁感应的强大作用和物理魅力。仅仅产生电流表指针偏转，难以引起学生的兴趣和对学习物理的热情。第二种实验设备是利用交流电原理，该实验相对第一种实验设备是转动线圈切割磁场，指针换成小灯泡，实验效果稍有提升但课堂吸引力仍然有限。由于实验设备要求器件精度高，转轴接触部分的连接总是出现脱落导致没有物理现象产生。为改变电磁感应实验教学的现状，本文介绍一种新的实验仪器设计。

三、磁生电发声乐器电磁感应演示仪

1.设备结构

本设计所述的一种应用于物理实验教学的磁生电发声乐器电磁感应演示仪，其整体结构如图5所示，不同视角的部件结构图如图6所示。该装置主体由音板4、架弦桥(2，9)、钢弦7、蹄形磁铁6、固定弦码1、可调弦码10、音频端口3组成；音板4的4个角安装脚架11，音板两侧设有凹槽，凹槽嵌入两片架弦桥(2，9)，架弦桥2外侧音板上有洞穿孔，洞穿孔安装固定弦码1，架弦桥9外侧音板上有洞穿孔，洞穿孔安装可调弦码10，弦码1和弦码10之间连接钢弦7。音板4上贴有音阶标记点14，音板4上架弦桥2的内侧安装蹄形磁铁6，音板下侧两弦码(1，10)之间通过导线(12，13)连接音频端口3，音频端口3固定在音板4下侧。

图5 磁生电发声乐器电磁感应演示仪整体结构图

图6 不同视角的磁生电发声乐器电磁感应演示仪

2.工作原理

音板4由非导电刚性材料制作而成，不易变形不能导电，音板4头尾两侧的固定弦码1和可调弦码10之间连接钢弦，钢弦架在弦桥(2，9)上，通过调节可调弦码上的调弦柄5调节弦的张紧力使钢弦张紧，用手拨动钢弦，调得越紧钢弦的振动频率越高，调的越低钢弦的振动频率越低。音板4上装有蹄形永磁体6，这样钢弦在振动时就会切割永磁体6的磁感线而产生电动势。弦码1和弦码10由可导电材料铸成，两弦码用导线连接音频端口3，音频端口3连接音响，即可使导线和音响之间形成闭合回路从而形成电流，因为导线在振动切割磁感线，所以电流的方向在发生变化，而且电流的周期与钢弦7振动的周期是完全相同的。即音响发出声音的频率和钢弦振动的频率一致。而钢弦的振动频率由钢弦长度决定，所以用力拨动钢弦不会改变声音频率，但却使得切割磁感线的速度变快而产生更大电动势进而产生更大电流使声音变大。所以此装置不仅可以验证导线切割磁感线会产生感应电流，还可以验证导线切割磁感线速度快、产生的电动势大，电流大。

音板4上标记有不同音高的点(14)形成了音阶。用手按住不同的点在拨动琴弦，即改变了弦长，改变了频率，改变了音高，这样可以根据简谱来演奏一段简单的旋律。所以本设备还可以验证振动频率和弦长短的关系：弦长越长频率越低，弦长越短频率越高。音位按点的确定可以根据西方音乐的十二平均律或者中国传统音乐的三分损益法[3]。图7给出了以三分损益法为依据导出的音位点的数据关系，按此关系成比例缩放即可得到正确的音阶位点。

图7 基于三分损益法的音位点的数据关系

四、本设计的使用方法

1.音乐演示

将设备连接，音响接电，调节调弦柄5使钢弦振动频率为110 Hz。用左手食指依次按钢弦不同的音位点并用右手手指拨动钢弦即可得到A大调自然音阶。参照简谱例如《小星星》(如图8所示)来移动左手按弦位置，即可得到A大调的《小星星》音乐。

图8 《小星星》简谱

2.研究切割磁场速度与电流的关系

空弦下轻轻拨动钢弦，钢弦振幅较小，振动速度慢，听到的声音小。逐渐增大拨弦力度，振幅变大。根据弦长决定频率进而决定振动周期即周期不变，振动速度快，听到的声音大。声音大即产生的感应电流强。得出结论：切割速度快产生电流强。

3.研究振动频率与弦长的关系

左手按住钢弦在不同的位置上，拨动钢弦，听到不同音调的声音。移动左手按弦点到任意位置对比声音音调发现。振动弦长越长，音调越低即振动频率越小；振动弦长越短，音调越高即振动频率越大。

五、结语

本文介绍了一种将电磁信号转化为音乐的电磁感应实验教学仪器。本仪器将枯燥的电磁感应实验转变为音乐形式展现，不仅能演示切割磁场会产生感应电流的实验现象，还可以体现出切割的越快产生的电流越强的原理，课堂效果好，吸引力强；该设计还可以用来演示振动频率和长度的关系；实验设备结构简单，制作成本低，适合于在高中物理课堂普及应用，以增强电磁感应的课程吸引力。