“激光电磁感应演示仪”的设计制作与拓展应用

陈文莉 黄 蕾 程雪梅

(1. 重庆市大渡口区教师进修学校,重庆 400080; 2. 重庆市第九十四中学,重庆 400080)

1 引言

2011年版《义务教育物理课程标准》对“科学探究:怎样产生感应电流”的教学作出以下要求:“通过实验,探究并了解导体在磁场中运动时产生感应电流的条件”[1],明确强调要用实验方式进行科学探究,以促进科学概念的转化和物理新概念的构建.

沪科版九年级物理教材配置的实验如下:将一根导体的两端用细导线悬挂起来,并与灵敏电流计、开关串联组成闭合电路,再将导体放在蹄形磁铁的磁场中,探究导体在磁场中怎样运动才能产生电流,并探究影响电流方向的因素.实际操作中发现存在以下问题: (1) 磁场的磁感线分布比较抽象,学生难以体会何谓导体切割磁感线?何谓不切割磁感线? (2) 当导体切割磁感线时,灵敏电流计指针的偏转角度较小,可视性不高.

笔者设计自制的“激光电磁感应演示仪”,利用激光模拟磁感线,实现了“可视化”切割磁感线的演示,让学生亲自体验感应电流的产生条件;并且为了加大指针偏角,分别用多匝线圈、强力磁铁替换单根导线和蹄形磁铁.本教具弥补了中学物理教学中这类器材的匮乏,实际课堂教学效果很好.

2 “激光电磁感应演示仪”的设计、制作和演示

2.1 所需器材

PVC广告牌一块(1m×1m)、USB接口线、强力磁铁两块(10cm×3cm),喷雾油漆(蓝色与红色各一瓶)、加湿器、激光源(5V点状红色激光头12个)、线圈、导线、开关、灵敏电流计.

2.2 设计思路

在沪科版九年级物理教材配置实验的基础上,“激光电磁感应演示仪”增加3项改进: (1) 利用多组激光束模拟磁感线分布,将抽象的磁感线具体化,为导体的运动确定了参照物,帮助学生理解“什么叫切割磁感线运动”.同时为了增加激光的可视效果,借助加湿器的喷雾来显示光路,让磁感线的分布清晰醒目.(2) 因单根导线切割磁感线产生的电流很小,灵敏电流计的指针偏转不明显,所以将单根导线换成多匝线圈,蹄形磁铁换成强力磁铁.(3) 演示实验不仅要追求实验现象的简明,更要设法提高实验的可见度,让全体同学都能清楚看见实验装置、操作过程和产生的现象.所以我们将演示仪放大尺寸,并且在磁铁表面染上红色和蓝色来模拟蹄形磁铁,同时标注醒目的南北极字母,线圈也加大尺寸,使实验更加立体生动,增强视觉刺激.

2.3 制作步骤

安装充电激光源和磁铁:将PVC板切成若干矩形板块(30 cm×20 cm)和两个小板块(20 cm×15 cm).取一小板块(20 cm×15 cm),中央空出一块,嵌入强力磁铁(铁氧体黑磁铁9 cm×5 cm),其余位置等间距区分出相对的两行六列共12个位置,对着这12个位置扎孔,插入红光激光源[2](如图1).

图1 安装激光源和磁铁的示意图

图2 磁铁模具正面图

制作磁铁模具:再取一块小矩形PVC板块,中央嵌入强力磁铁.将做好的2个板块面对面组成两极,让装有激光源的板块在上层(如图2).接着用剩余的PVC小矩形板块围绕着上面两个板块组成一个U形的方体模型,再用红、蓝色喷漆涂色,并标上N、S极(如图3).需要注意的是,激光源并联连接后,从模具后面引出导线接上一个USB插口(如图4),使用时将USB与常见的手机充电宝相连即可.

图3 磁铁模具侧面图

图4

烟雾控制装置:剩余PVC板切割成一个小槽,如U型(如图5甲),放在加湿器上,用于控制烟雾的方向和大小(如图5乙).另外,加湿器里若装热水,烟雾效果更佳.

图5 烟雾控制及产生装置

最后,将制作好的各部分器材进行组装,“激光电磁感应演示仪”就制作完成.图6是“激光电磁感应演示仪”在正常工作时,线圈的一个边做切割磁感线运动产生的感应电流使灵敏电流表指针偏转的情景.

图6 演示仪产生感应电流的情景图

2.4 实验演示

将“激光电磁感应演示仪”后端的USB插口接上电源,装置上下极板所镶嵌的多个激光源立即工作,显示出红色光路,光线细密的分布宛如从磁铁北极发出指向南极的磁感线(蹄形磁铁两极内侧附近区域的磁场可近似看作匀强磁场),用具体的光路来形象模拟磁感线的分布.为了让光路“可见度”提高,启动加湿器,用产生的喷雾来显化光的路径.

当线圈、开关和灵敏电流计,用导线串连起来后,它们便形成一个回路,线圈的一部分放进“激光电磁感应演示仪”,并且当这部分线圈切割磁感线运动时产生感应电流.学生可以直观地看到,如果把线圈的这部分比作刀,若能将磁感线切断,就是“切割磁感线”,可以产生感应电流;而如果这把刀的放置方向或者运动方向二者之一与磁感线方向平行时,就是“不切割磁感线”,无感应电流,这样就加深了学生对“切割”的理解.

3 “激光电磁感应演示仪”在其它实验中的拓展应用

应用1——作为“磁是什么”的引入:在初中物理“磁是什么”的教学中,教师先唤醒学生对哪些物体会有磁性的已有认知.通常情况下学生的第一反应是条形磁铁和蹄形磁铁．此时教师向学生展示“激光电磁感应演示仪”,学生见到一个巨型的蹄形磁铁,视觉冲击带来的新奇感会激发学生学习的兴趣.接着教师接通电源,一束束红色激光从N极指向S极,在学生惊奇的一刻,教师适时提出问题:这些红色光束代表什么?它们是从哪里到哪里?为什么会这么排列呢?进而逐步介绍磁极、磁场、磁场方向、磁感线等一系列内容.

应用2——演示“磁通量及其变化”:在高中物理选修3-2“法拉第电磁感应定律”一节教学中,教师可通过“激光电磁感应演示仪”的演示,首先帮助学生理解磁通量及其变化的含义,接着继续利用该仪器的演示,帮助学生认识磁通量变化的快慢引起感应电动势的大小不同,导致电流大小随之不同的现象,甚至能够为后续“交流电的产生”的学习奠定基础[3].

4 结语

“激光电磁感应演示仪”结构简单、便于携带、操作方便,并且系教材中学生实验基础上的改进,学生观察时,代入感很强,容易将演示实验现象与学生实验结合起来分析理解.接通电源后,醒目的磁感线分布,有助于帮助学生自主认识导体运动的几种情况,加深对切割磁感线的理解.该仪器在设计时,在提供激光工作的电源上采用了USB接口,只需要携带一个充电宝,便可以任意时间任意地点进行实验演示,避免了对电源插口过高的要求,非常便利实用,值得在教学活动中推广使用.