电磁驱动和电磁阻尼系列实验教具创新设计

尹文慧 卢世才 张军朋

(1. 华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006;2. 广东省深圳市光明区光明中学，广东 深圳 518107)

1 引言

当磁场相对导体运动时，在导体中会产生感应电流，感应电流会使导体受到安培力，从而使导体运动起来，这种现象称为电磁驱动；当导体在磁场中运动时，在导体中会产生感应电流，感应电流会使导体受到安培力，该安培力会阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。目前,在物理教学中,对电磁驱动与电磁阻尼现象的演示通常分开进行，有部分教具能够将两种现象联系在一起，但是制作过程较为复杂。[1]电磁驱动与电磁阻尼在生活中有很多的应用，对于该现象的实例分析是教学难点，但是关于电磁驱动和电磁阻尼的应用实例缺少用于课堂的直观实验演示，不利于学生知识的迁移和实例分析。

笔者设计、制作了电磁驱动和电磁阻尼系列演示教具，通过简单的实验装置把电磁驱动和电磁阻尼现象联系在一起，方便教与学。

2 实验装置设计与教学用途

2.1 小熊荡秋千

制作材料：木条、木板、小熊、强磁铁、细绳等。

制作过程：(1) 用木条制作成一个长方形木框；(2) 在小熊的底部粘贴一块薄铝板，接着把小熊悬挂在木框上；(3) 在长方形木板一端粘贴一块长方形磁铁，并用墙纸进行美化。

如图1所示，将小熊悬挂起来，在小熊的下方贴上金属铝片，将磁铁放置在小熊的下方，不与小熊接触，移动磁铁，小熊会运动起来，由此可以演示电磁驱动现象。

图1

逆向做小熊荡秋千实验：将小熊推到一定高度释放，使其运动起来，将磁铁放置到运动的小熊下方，运动迅速停止，由此可以演示电磁阻尼现象。

实验原理：当磁场相对导体运动时，穿过导体的磁通量发生变化，由于是块状导体，在导体内部会产生感应电流(涡流)。根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁通量的变化，安培力阻碍磁场和导体的相对运动，进而驱动导体随磁铁运动。

教学用途1：可用于课堂导入，教师演示小熊荡秋千实验，学生观察实验过程。学生发现小熊底部有金属片，让其猜测金属片是什么材质的金属，多数学生猜测是铁片。教师再次演示并用磁铁靠近这个金属片，发现该金属片不被吸引，故不是铁片。由此追问：小熊荡秋千的原因是什么？激发学生的认知冲突，从而形成求知欲，在问题驱动下继续学习，教师逐步引导学生分析该实验的过程和原理，可完成电磁驱动概念的建构。

教学用途2：用同一个实验装置，逆向实验就会出现截然相反的现象，运动着的小熊会受到阻碍而迅速停下来。这给学生制造了强烈的认知冲突，激发了学生进一步探究的热情。在电磁驱动实验中，磁场驱动导体使其运动起来，为什么在逆向实验中，磁场却阻碍导体运动使其很快停下来？让学生猜想原因，并设计实验方案进行探究。

2.2 电磁阻尼摆

制作材料：木条、木块、圆形磁铁、铝板、铁片等。

制作过程：(1) 用木条和木块制作成“T”形，并固定在厚木板(底座)一侧；(2) 把两根长螺丝对称固定在木块两侧，接着把两个摆的上端穿过螺丝使其可自由摆动，摆的下端固定两片相同的铝板；(3) 把两块厚铁片固定在左边摆正下方的厚木板上，再把两块圆磁铁分别吸在铁片上。

如图2所示，两块相同的铝板均置于空气中，将铝片从相同的高度同时释放，观察到两铝板几乎同时停止摆动。再在左侧铝板的两侧加上可拆卸的磁铁，再次同时释放两铝板，可以观察到在磁场中运动的铝片先停下来。

图2

实验原理：当导体在磁场中运动时，穿过导体的磁通量发生变化，在块状导体内部产生涡流。根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍原磁通量的变化，从而阻碍导体的运动，使导体很快停下来。

教学用途：该装置可用于验证性实验。学生会猜想导体在磁场中运动时，导体可能会受到阻碍。接着引导学生设计实验装置，利用电磁阻尼摆实验来验证猜想，完成电磁阻尼概念的建构。

2.3 磁电式转速表

建立电磁驱动和电磁阻尼概念后，介绍它们在生活中的应用。磁电式转速表是电磁驱动的典型应用实例，汽车上的转速表能反映发动机的转速，根据发动机的转速可以判断汽车是否启动、是否换挡等，其内部结构如图3所示。

发动机与转轴相连，磁铁固定在转轴上，汽车启动后发动机带动磁铁转动，可以观察到表盘上的指针发生偏转。根据其工作原理，引导学生设计如图4所示的磁电式转速表实验装置。

图4

制作材料：电动机、圆形铝板、长方形磁铁、游丝、指针、学生电源等。

制作过程：(1) 在底座上方安装一个长方形框，并在方框上方固定电动机；(2) 分别在长方形铝条两端加上磁铁，并固定在电动机的轴承上；(3) 在底座另外一边固定一个梯形厚铝板，在铝板上方穿过一个轴承，并在轴承的一段连接圆形铝板，另一段与指针连接；(4)在指针和铝板之间装上游丝和转速表盘。

实验原理：磁电式转速表内部由磁铁、感应片、转轴、弹簧游丝、指针等组成，感应片通常用金属铝片，指针和感应片的转轴相连。在测转速时，磁铁和电动机转轴相连，所以磁铁随电动机旋转，根据电磁驱动原理，磁铁带动感应片同方向旋转，由此指针会发生偏转，弹簧游丝随感应片转轴转动时被扭紧，产生反方向的恢复力，当游丝的恢复力矩与电磁驱动作用的转动力矩平衡时，指针稳定地指在某一刻度。电动机转轴带动磁铁的转速增大时，由电磁驱动产生的转动力矩增大，指针就稳定在偏角更大的位置。

教学用途：利用演示实验创设迁移情境，引导学生完成电磁驱动现象的实例分析，让学生了解物理知识在技术中的应用，启发学生运用所学知识解决生活中的实际问题。

2.4 过山车电磁制动

电磁阻尼在制动方面有广泛的应用，过山车就是一例。当过山车进入制动区域时，轨道下方有强磁铁，过山车的底部有铜铝合金片或者铝片，当过山车进入磁场中时，会因安培力的作用而减速，最终通过摩擦轮或其他摩擦制动的方式，使过山车停下来。

根据其工作原理，设计如图5所示的过山车电磁制动实验装置。

图5

制作材料：木条、木板、小车、铝片、磁铁等。

制作过程：(1) 用木条和木板制作成一个梯形轨道，用粉色卡纸分成两条轨道；(2) 在右边轨道下端底部粘贴一块磁铁，左边轨道下无磁铁；(3) 分别在两辆完全相同的小车底部粘贴铝片。

将两小车在两个轨道上同高度、同时释放，会观察到在下方有磁铁的轨道上运动的小车先停下来，由此模仿过山车电磁制动过程。

教学用途：先通过演示实验给学生带来视觉震撼，再引导学生利用所学知识解释其中的原理，完成电磁阻尼现象的实例分析。让学生将所学知识灵活应用到实际生活中去，赋予新知识以意义，运用所学的知识解释和解决实际问题。[2]

3 自制教具的特点

(1) 自制教具取材容易、制作简单、现象明显、造价低廉，适合多数地区的课堂教学。

(2) 运用自制教具配合教师的教学，循序渐进地提问和引导，能启发学生的思维，激发学生进行科学探究，从而完成概念的建构和知识的迁移。

(3) 自制教具的题材贴近学生生活实际，上述系列演示实验与学生的生活密切相关，学生易于接受和理解，能够让学生体会到物理与社会发展息息相关。

演示实验既是中学物理教学的内容，又是教学的重要手段，实验教具的设计要体现物理知识的本质，同时演示实验要服务于课堂教学，充分考虑学生的认知规律，真正启发学生思维，发展学生能力。