黄卫良
(张家港市乐余高级中学 江苏 苏州 215621)
用微元法推导线圈在辐射磁场中的受力情况,严格说是一种纯数学方法[1].作为补充,笔者在实验基础上进行合理外推,更符合学生的科学认知规律.
找一个老人用听戏机,插入存有MP3歌曲的内存卡,并打开后盖,把焊接在喇叭上的两根导线脱开,将这两根导线延长后接到方形线圈的两端,即用方形线圈代替了喇叭,如图1所示,并在方形线圈的一条边附近放置1块小型马蹄形磁铁.
图1 音频电流通入方形线圈
教师:同学们,见证奇迹的时刻到了,请注意倾听.
学生:天哪.方形线圈居然会发出音乐?会不会另外有喇叭在播放?
教师让学生上讲台检查,学生发现的确是方形线圈在发声,但即使把播放器的音量旋钮调节到最大位置,线圈播放的声音还是比较微弱.
教师:线圈为什么会唱歌呢?
学生:……
教师接下来再把一个电流传感器串联入方形线圈回路,让学生观察其中电流的变化[2],如图2所示.
学生:明白了,线圈中通有大小方向不断变化的电流,磁场就对线圈产生大小方向不断变化的安培力,从而带动线圈振动而发出声音.
图2 传感器检测方形线圈中电流
教师:很好.这样的电流称为音频电流,其变化规律和录制音乐的规律是一致的.
教师:用一个马蹄形磁铁,线框唱歌的音量实在是太小了.接下来老师放入第2、第3个马蹄形磁铁,同学们认真观察,看看有什么变化?
学生:线框播放音乐的声音变大了.
教师:为什么声音变大?同学们会解释吗?
学生:因为导线在磁场中的有效长度变长了.
教师:很好.
教师接下来PPT展示以上用1,2,3块磁铁实验的示意图,如图3所示.
依次加入1块、2块、3块磁铁,可发现线圈发出的音乐逐渐变强
教师:同学们,在依次放入1,2,3块马蹄形磁铁的实验基础上,我们把磁铁越放越多,如图4所示.请同学们合理外推下,线框在磁场中的有效长度,最大可以达到多少?
合理外推:随着磁铁越放越多,线框在磁场中有效长度最大是多少?
学生:应该是线框的4条边全部放满磁铁,最大有效长度,就是线框的周长.
教师:很好,当线圈4条边都放满磁铁后,就可以把所有磁铁合并为一个大的方形磁铁,线框外侧就是S极,内侧就是N极,这实际上已经是一个方形辐向磁场了.
教师投影展示示意图,如图5所示.
教师:同学们,有没有发现,如果把这个方形的辐向磁场进一步合理外推为圆形辐向磁场,如图6所示,则线圈在磁场中的最大有效长度就变为多少?
图5 四周放满磁铁合理外推为方形辐向磁场
图6 方形辐向磁场合理外推为圆形辐向磁场
学生:就是其周长.
教师:如果考虑线圈的匝数呢?
学生:就是周长与匝数的乘积.
教师:很好,我们通过实验,再进一步合理外推,发现了圆形辐向磁场中的线圈,其在磁场中的有效长度就是周长与匝数的乘积,这样线圈受到的安培力就最大,线圈振动的效率就最高.实际的扬声器就是因为采用了这样的辐向磁场,而有效提高了振动发声的效率.同学们课后可以找个废旧玩具上的小喇叭拆下磁铁,去进一步了解辐向磁场.