可视化安培定则演示仪的设计与制作

摘 要：本文针对初中物理“电流的磁场”这節教学中遇到判断通电螺线管极性时，电流方向和螺线管极性不可视的实验教学难点问题，通过运用电子技术知识，自制“可视化安培定则演示仪”，具有可视性好、使用方便的优点，从而大大提高了物理课堂教学效率.

关键词：通电螺线管极性;安培定则;发光二极管;七段数码显示管

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）04-0034-02

作者简介：邵忠芳（1982-），男，江苏丹阳人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学与研究工作.

1 研究背景

1.1 安培定则的内容和作用

“安培定则”（又称“右手螺旋定则”）是苏科版物理教材九年级下第十六章第2节“电流的磁场”中的重要内容.安培定则的内容是：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与螺线管中的电流方向一致，则大拇指所指的那端就是通电螺线管的N极，这种判断方法称为安培定则（如图1所示）.

1.2 安培定则的作用

安培定则揭示了通电螺线管两端的磁极极性（N极或S极）和电流流向之间应满足的某种固定关系，使用它可以方便地根据电流方向来判断通电螺线管磁极的极性，或者根据通电螺线管的极性推断出电流流向，找到通电螺线管磁极的极性与电流方向之间的关系，为进一步研究通电螺线管周围的磁场分布和磁场方向奠定了基础.

2 问题的提出

安培定则虽然告诉了我们通电螺线管的磁极和电流流向之间满足的固定关系.但是，目前课本上只是用平面的图片来展示判断通电螺线管磁极的方法，具有如下问题.

2.1 课本实验图片方法介绍或动画演示的不足

课本上的安培定则图片介绍是平面的，螺线管中的电流方向是根据电流从电源正极流出，沿着螺旋式的螺线管上的线圈流动，最后回到电源负极而推断出来的，不具有可视性和立体性，电流的流向是运用讲授法传授给学生的;用动画演示安培定则，电流的方向是靠虚拟的动画制作完成的，有一种虚拟的感觉，缺乏真实性.

2.2 缺乏直观可视化的教学弊端

在教学中，因为物理实验室还没有专门的“安培定则演示仪”.教师几乎都是通过灌输的方式将安培定则介绍给学生，具有机械性，不利于学生对物理规律的建构，不利于学生创新思维和探究能力的培养.

2.3 基于问题的两个思考

如果能设计出一个可以直观方便地观察到通电螺线管中电流流向和显示螺线管两端极性的“安培定则演示仪”，教师就可以在课堂中演示这个实验，能够减轻学生学习安培定则时的困惑，更方便地完成该定则在学生脑海中的建构，并在心中留下深刻的印象.

本人通过多年的物理一线教学经历，精心研制出一种原理相对简单、可视性好、值得在物理教学过程中推广的“可视化安培定则演示仪”，供大家一起探讨，以便进一步改进，更多地服务于物理教学.

3 研究过程

3.1 材料使用

直径为10cm、长度为60cm的白色塑料PPR管子一根;面积为1.5mm2、长约2.5m的漆包线一根;2m长的铜芯软导线一根;普通二极管四只;发光二极管六只（三只红色、三只绿色）;七段数码显示管四只（含控制数码管的集成电路模块）;单刀双掷开关两只;12V电源一个;电流表一只;10Ω定值电阻一只;0-20Ω滑动变阻器一只;50cm长的两头带螺纹的不锈钢钢筋两根（含配套螺母、垫片各四只）;透明塑料玻璃;胶水.

3.2 可视化安培定则演示仪的原理介绍

“可视化安培定则演示仪”的组成如图2所示，七段数码管能起到固定显示“N”或“S”的作用，通以符合方向要求的电流后从左向右四个数码显示管（标号分别为1、2、3、4）依次显示“N”“S”“S”“N”，第1号和第3号数码显示管所在电路上的二极管按照导通方向朝上的方向安装，因为二极管具有单向导电性，当通以向上的电流时，这两只数码显示管中就有电流通过，分别显示“N”和“S”，即：通电螺线管的左端显示为N极，右端显示为S极.第2号和第4号数码显示管所在的电路二极管导通方向安装朝下，表示通以向下的电流时，这两只数码管就有电流通过，分别显示“S”和“N”，即：通电螺线管的左端显示为S极，右端显示为N极.

为了很清晰地显示线圈中的电流方向，把每一股线圈又分成了两条小的支电路，支路上分别接上一个方向相反的发光二极管，每股线圈上左边分电路上的发光二极管为红色，导通方向为向上，每股线圈上右边分电路上的发光二极管为绿色，导通方向为向下.当通以自左向右的电流时，每股线圈上左边支路上的红色发光二极管导通发出红光，红色的箭头指向上方，表示我们所看到的螺线管线圈中靠近我们这一侧的电流方向向上;当通以自右向左的电流时，每股线圈上右边支路上的绿色发光二极管导通发出绿光，绿色的箭头指向下方，表示我们所看到的螺线管线圈中靠近我们这一侧的电流方向向下.

电流方向的切换：采用两个单刀双掷的开关（如图2所示），当S1接1，S2接4时，电流方向为从电源正极流出后在电路中沿顺时针方向流动;当S1接3，S2接2时，电流方向为从电源正极流出后在电路中沿逆时针方向流动，从而方便地改变线圈中的电流方向，不需要重新接线便可以顺利完成两次实验探究.

3.3 使用方法

当S1接1，S2接4时，电流为从电源正极流出后在电路中沿顺时针方向流动;流进线圈时，因为每股线圈左侧支路上的红色发光二极管导通方向为向上，电流能够流过这个二极管，这个红色发光二极管能够发光，红色发光箭头方向为向上，从而清晰地显示出线圈中该支路电流方向是向上的;每股线圈上右侧支路上的绿色发光二极管导通方向为向下，所以向上流动的电流无法通过，该绿色发光二极管不发光.因此，我们能够看到螺线管中每股线圈左边的红色发光二极管发光，红色发光箭头指向上方，表示螺线管中我们所能看到的电流方向向上;第1号和第3号两个数码显示管有电流流过，能够发光，分别显示“N”和“S”，符合安培定则.

当S1接3，S2接2時，电流为从电源正极流出后在电路中沿逆时针方向流动;流进线圈时，因为每股线圈右侧的绿色发光二极管导通方向为向下，电流能够流过绿色二极管，绿色发光箭头方向为向下，从而清晰地显示出线圈中该支路电流是向下流动的;每股线圈上左侧的发光二极管导通方向为向上，所以向下流动的电流流不过，该红色二极管不发光.因此，我们能够看到螺线管中每股线圈右边支路的绿色发光二极管发光，绿色发光箭头指向下方，表示螺线管中我们所能看到的电流方向向下;第2、4号两个数码显示管有电流流过，能够发光，分别显示“S”和“N”，符合安培定则.

4 安培定则演示仪的优点

4.1 可以直观形象地显示线圈中电流的方向

将发光二极管的外形制作成三角箭头的形状，用红绿两种不同颜色的发光二极管能直观方便地显示线圈中的电流方向，避免了原来通电螺线管线圈中的电流方向看不见，只能凭教师口头表述电流方向的弊端.

4.2 通电螺线管磁极的极性能够直观地显示

将二极管与七段数码显示管串联，利用通电二极管的正向导通、反向截止的功能，让通过数码显示管的电流方向具有选择性，运用七段数码显示管能直观地显示通电螺线管的N极和S极，通以正向电流时，螺线管中电流方向向上，螺线管左边的数码显示管N发光，右边的数码显示管S发光;通以反向电流时，右边的数码显示管N发光，左边的数码显示管S发光，螺线管中电流方向向下，符合安培定则.

4.3 螺线管中电流的方向可以方便地改变

采用两个单刀双掷的开关，来方便地实现改变电源的正负极接线，从而改变通入螺线管中电流的方向，探究通电螺线管的极性是否与电流的方向有关，而不需要重新接线，从而方便顺利地完成第二次实验，节省了课堂时间，提高了教学效率.

4.4 器材固定在支架上，携带方便

将安装好的螺线管装置通过两端有螺纹的两根钢筋固定安装在支架上，使整个仪器固定在支架上，且便于携带;演示仪体积相对较大，作为演示实验可视性好，能够满足演示实验各操作细节的要求，学生对整个实验可视性的实验效果大大增强.

参考文献：

[1]陈永志.安培定则、左手定则和右手定则的区别和综合应用[J].中学物理教学参考，2003（06）：11-13.

[2]孙宁，于莹.探究通电螺线管周围磁场实验的四个创新[J].实验教学与仪器，2018，35（21）：49-51.

（收稿日期：2020-10-10）