多功能电涡流演示仪

刘 通，王泽源，于 琪

(1.天津师范大学 物理与材料科学学院，天津 300387;2.天津市实验中学，天津 300074)

1 高中涡流实验教学中的不足

高中物理教材在“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”中，分析了感生电动势，对其形成的原因进行了初步探讨后，介绍了涡流及其成因、涡流的热效应和机械效应[1]. 在机械效应方面，设置了简易的电磁阻尼摆实验和三相电流的电磁驱动实验，由于在教学过程中缺少配套、有效的演示实验装置，导致学生对该部分内容的直观认知有所缺失[2]. 传统教学方式与新课改中注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需要的教学理念[3]及教学目标相冲，在一定程度上不利于学生核心素养的进一步发展. 为解决以上问题，本文应用涡流的产生机制和机械效应原理，制作了集悬浮、制动、驱动、发电于一体的多功能电涡流演示仪. 此实验仪可以让学生直观地观察到涡流现象，帮助学生理解涡流的物理图象. 除教师的讲解外，学生还可以通过原理进一步定性地分析涡流的技术应用.

2 多功能电涡流演示仪的原理

2.1 设计思路

有关电磁阻尼和电磁驱动演示实验创新与改进的文献有很多，例如文献[4]介绍了4种实验教具的相关制作和应用，文献[5-6]介绍了钕磁铁沿金属板下滑的创新型实验. 这些演示实验具备以下优点：

1)演示实验的现象明显，能够引发学生探索的兴趣和思考.

2)制作和操作方法简便,实验装置取材方便.

3)在教具设计理念方面，部分实验想法新颖，构思巧妙. 另外，还有部分实验将教材中涉及的实验进行了改进.

4)在教具设计原理方面，部分原理在演示实验后再向学生进行解释，学生会更容易理解.

通过以上总结，可以看出目前电磁阻尼和电磁驱动演示实验优点突出，但不足也较为明显. 主要表现在以下方面：

1)时代性：演示实验与实际生产生活有一定程度的脱离.

2)推广性：演示实验仪器无法批量生产.

3)创新性：目前的实验改进主要集中于磁铁在塑料管和铝管当中的运动，蹄形磁铁贴近铝盘的制动以及钕磁铁沿金属板构成的斜面下滑这3个实验，因此在设计方面存在一定程度的重复.

4)发展性：上述演示实验不利于进一步拓展和提高学生对原理的深层次理解.

基于以上原因，设计了多功能电涡流演示仪，其设计理念为：在目前相关研究成果优点的基础上，联系课标要求与物理演示实验的特点，分别从时代性、推广性、创新性和发展性4个方面进行思考，综合解决以往演示实验出现的问题. 将该演示仪应用于课堂教学中的各个环节，帮助一线教育工作者构建层次清晰、逻辑紧密的课程.

2.2 演示仪实验原理

在电磁设备中常常存在大块金属，当这些金属块处在变化的磁场中或相对磁场运动时，其内部会产生感应电流，此时可以将金属看做是由一系列半径逐渐变化的圆柱状薄壳组成，每层薄壳自成闭合回路，从而在每层薄壳中产生的电流流线呈闭合涡旋状，如图1所示. 将这种金属导体中的感应电流叫做涡电流，涡电流产生的机械效应在工程技术中有着非常广泛的应用.

图1 导体中的涡流示意图

磁悬浮、电涡流非接触制动、电涡流非接触传动和电涡流发电这4种现象的原理均为电磁阻尼与电磁驱动，只是在内部结构的设置上有一定的差异. 将实验原理图简化为如图2所示的俯视图，选取左侧的铝盘区域abcd(区域的大小和形状可以任意假设)作为研究对象. 演示仪的4个悬臂上悬挂的都是磁铁，磁铁的极性不确定，为讨论问题的方便，先假设演示仪中靠近铝盘的磁铁面均为N极，磁铁在铝盘上方，因此磁感线的方向为垂直纸面向里.

图2 电磁阻尼演示

当铝盘由左向右运动时，穿过铝盘的磁通量逐渐增加，根据楞次定律，abcd中将会产生感应电流，感应电流的方向为逆时针，产生的安培力会阻碍铝盘进入到磁场区域中，磁铁和铝盘之间的受力情况如图3所示. 具体表现为： a. 铝盘受到向下的斥力F1和与铝盘运动方向相反的切向力F2，如图3(a)所示；b. 磁铁受到向上的斥力F1′和与铝盘运动方向相同的切向力F2′，如图3(b)所示.

(a) 铝盘受力情况 (b) 磁铁受力情况图3 受力情况

下面分别介绍磁悬浮、电涡流非接触制动、电涡流非接触传动和电涡流发电这4种现象的实验原理.

2.2.1 磁悬浮

采用磁性较弱的磁铁(对铝盘运动的影响较小)，使其在竖直方向上能够自由活动，水平方向上被固定，如图4所示. 磁铁受到的重力(竖直向下)和与铝盘之间的斥力(竖直向上)相互抵消，达到稳定后实现悬浮.

图4 磁悬浮悬臂

2.2.2 电涡流非接触制动

采用磁性较强的磁铁(对铝盘运动的影响较大)，使其被完全固定，即磁铁既不能在竖直方向上运动也不能在水平方向上自由转动，如图5所示. 铝盘将受到竖直向下的力和与铝盘转速方向相反的斥力，产生的感应电流与磁极发生相互作用，阻碍铝盘的运动. 磁铁和铝盘之间的距离越近，阻碍效果越明显；距离过近时，铝盘几乎不再转动.

图5 电涡流非接触制动悬臂

2.2.3 电涡流非接触传动

采用磁性较弱的磁铁(对铝盘运动的影响较小)，在两端磁铁中间衔接可以转动的转轴，这时磁铁在竖直方向和水平方向上均能够自由移动，如图6所示. 磁铁受到的重力(竖直向下)和与铝盘之间的斥力(竖直向上)相互抵消，除此之外，磁铁还受到与铝盘转速方向相同的力，从而导致悬臂上两端磁铁发生转动. 磁铁与铝盘之间的距离越近，转速越快.

图6 电涡流非接触传动悬臂

2.2.4 电涡流发电

采用磁性较弱的环状磁铁(对铝盘运动的影响较小)，在环状磁铁中间固定转轴，转轴上连有简易的发电机，如图7所示. 环状磁铁将受到与铝盘转速方向相同的力，导致转轴高速转动，从而带动内部的发电机发电，使得发光二极管发出明亮的白光.

图7 电涡流非接触传动悬臂

3 多功能电涡流演示仪的使用

3.1 演示仪结构

实验装置如图8所示，箱体上方左右分别为操纵杆和铝盘，箱体内部有令铝盘高速转动的电机，操纵杆上有4个悬臂，左侧2个悬臂依次可演示发电和制动现象，右侧2个悬臂依次可演示传动和悬浮现象. 根据演示要求的不同，悬臂上悬挂4块形状、磁性不同的磁铁，用来产生磁场. 操纵杆的最上方为把手，转动把手可以使旋转杆转动，从而可分别调节4个悬臂转动至铝盘的正上方. 把手与下端固定杆之间连有弹簧，通过施加力改变弹簧的形变实现悬臂的升降. 演示仪的4个悬臂对应4个独立的实验现象，其设计的关键在于悬臂和高速转动的铝盘. 掌握该演示仪的设计思路，结合以上实验原理，即可发掘身边的器材自制与该演示仪相同的教学演示仪器.

图8 多功能电涡流演示仪

3.2 实验步骤及现象

3.2.1 电涡流磁悬浮

1)按动操纵杆，使磁铁缓慢靠近铝盘；

2)开动电机使铝盘旋转，随着铝盘转速增加，磁铁逐渐悬浮；

3)磁铁悬浮到一定高度时，将保持在该高度不变.

3.2.2 非接触电涡流隔离传动

1)开动电机使铝盘旋转；

2)按动操纵杆，使磁铁缓慢下降；

3)将旋转杆转到铝盘上方，随着旋转杆接近铝盘，观察到旋转杆也旋转起来.

3.2.3 非接触电涡流制动

1)开动电机使铝盘旋转；

2)按动操纵杆将磁铁转到铝盘上方，且使磁铁逐渐靠近铝盘，观察到铝盘的转速逐渐减小.

3.2.4 非接触电涡流发电

1)开动电机使铝盘旋转；

2)按动操纵杆将电涡流微型发电机转到铝盘上方，并使其逐渐靠近铝盘，观察到微型发电机迅速转动，并立刻发电，使得发光二极管发出白光.

在实验过程中，由于铝盘转速较高，悬臂上的各装置不能紧贴铝盘，以防装置发生摩擦而损坏.

4 多功能电涡流演示仪的设计特点

在课堂教学中，采用多功能演示仪演示与电涡流相关的各种实验现象时，能够产生如下效果：

1)实验现象明显直观，辅助物理课堂教学，激发学生学习物理的兴趣. 演示仪涉及的4个实验是学生在日常生活中不常遇到的，但在日常生活中又有一定的应用，因此通过教师引导学生观察实验现象，可以使学生在学习相关知识前先获得一定的感性认知.

上述实验现象能够让学生感到新奇、有趣，进而使学生在头脑中形成关于涡流的物理表象，并意识到用已有的知识基础不能够解释上述现象，产生认知冲突，为后面的涡流概念和应用的学习奠定了基础.

2)结合了楞次定律、涡流和电磁阻尼的原理，帮助学生完善物理概念的建构. 涡流是学生构建电磁场理论的重要铺垫，是完善电磁场理论较为重要的环节. 如果学生不能形成对物理概念和物理规律的完整认知，将可能误认为物理概念和物理规律是零散的、毫无逻辑的知识点.

课堂教学中，教师可以结合多功能电涡流演示仪讲解涡流及其成因、电磁阻尼和电磁驱动等内容，帮助学生进一步加深对涡流概念的理解，并用涡流和电磁感应的原理正确解释日常应用，从而达到物理概念提炼与升华的目的.

3)紧密联系电涡流在现代工程技术中的应用，引导学生正确认识STSE(科学、技术、社会、环境)的关系，增强其掌握科学知识的责任感.

新课程改革后，高中物理课程在内容上更加注重与生产生活、现代社会及科技发展的联系，在教学中展现当代科学技术发展的重要成果和科学思想尤为重要. 本演示仪的4个现象是现代生产生活应用中会涉及到的内容，教师可以以此为基础，向学生介绍一些具体的应用案例，例如：磁悬浮列车、涡流制动器等，让学生意识到科学研究和应用科学技术为生活带来的便利，以及为国家的综合国力提升带来的重要价值，从而促进学生掌握科学知识，增强学生建设祖国、推进科技发展的责任感.

5 结束语

通过对高中涡流演示实验进行改进，设计制作了多功能电涡流演示仪，以更好地帮助学生掌握涡流的相关知识，构建完整的电磁学理论体系. 同时，通过实验演示可以激发学生的学习兴趣，提高学生的观察能力，完善学生物理概念的建构，为学生物理观念的形成奠定了基础，并增强了学生学习物理学科的动力，从而达到优化教学的效果.