自制楞次定律探究仪

邓浩仪，李德安，张军朋

(华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

楞次定律是高中阶段较为抽象的物理规律[1]，本文通过分析教材中楞次定律传统实验的不足，总结其教学难点，自制了楞次定律探究仪.利用该仪器探究了感应磁场和感应电流的方向，实验操作简单，易于教师演示和学生理解.

1 教材中楞次定律实验的不足

楞次定律是高中物理电磁学部分的重点内容.经对比多个版本的教材，发现教材中的楞次定律实验均是通过将磁铁插入、拔出线圈，观察灵敏电流计指针的偏转来判断产生感应电流的磁场方向，然后总结得出楞次定律[2].教材中的实验主要存在以下不足：

1)灵敏电流计的构造较为复杂，学生无法观察到内部构造，实验前学生需要清楚电流表指针偏转方向与电流方向的对应关系.

2)灵敏电流计的指针偏转时间较短，直观对比性不强.

3)教材的实验设计是让学生通过观察感应电流方向去判断感应磁场的方向，而又总结出通过感应磁场方向去判断感应电流方向的规律，其逻辑关系容易使学生产生困惑，并让学生不能很好地体会感应电流产生的磁场对闭合回路中的原磁通量变化的阻碍作用.

2 楞次定律的教学难点

楞次定律是电磁学部分较为抽象的内容，对培养学生抽象思维能力、综合运用能力和分析解决实际问题的能力起到至关重要的作用.学生在学习楞次定律时主要存在以下困难：

1)楞次定律涉及的因素较多，例如磁场方向、磁通量的变化、感应电流方向等，学生容易混淆.

2)学生需找出多个物理量之间的关系，并总结出规律.由于该规律隐晦，需要学生具有极强的概括能力，对学生来说具有较大的挑战[3-4].

3 楞次定律演示仪的制作

基于对传统实验与教学难点的分析，自制了楞次定律探究仪，解决了上述问题，并有利于教师开展课堂实验教学.

3.1 实验器材

圆柱亚克力(2个)、90°直角支架固定器角铁(2个)、5 mm红色发光二极管(15个)、5 mm白色发光二极管(15个)、洞洞板(2片)、强力磁铁(2个)、铝管(1个)、雪弗板(若干)、纯铜漆包线(直径为0.55 mm)、圆木棍(直径为1 cm)、香蕉插头及配对插座、电工胶布、导线(若干)、美工刀、焊锡、焊锡笔、剥线钳、热熔枪、马克笔等.

3.2 制作方法

3.2.1 线圈的制作

1)利用铝管作为缠绕线圈的模具，以便增强“来拒去留”的相互作用效果.将漆包线绕铝管缠绕约1 000匝，并用电工胶布固定，始末均预留出漆包线以便与发光二极管组件连接；

2)用美工刀刮去约3 cm长的漆包线绝缘层.

3.2.2 发光二极管组件的制作

1)由于绕制的线圈所产生的电动势较小，不足以让串联的发光二极管发光，因此可以将发光二极管插在洞洞板上排列成三角形，并以并联的方式进行焊接，以便达到更好的视觉效果；

2)使用美工刀切割得到1块15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板，在其中间镂空2个左右位置对称但方向相反的三角形，大小与前面排列的发光二极管一致；

3)将焊接好的发光二极管嵌入到雪弗板中，在雪弗板前面用马克笔画好并联的电路，背后利用热熔枪固定好2个香蕉头，并用导线连接好发光二极管，如图1所示.

图1 发光二极管组件

3.2.3 导线组件的制作

使用美工刀切割得到1块15 cm×8 cm×0.1 cm的雪弗板，在其一面用马克笔画1条直线表示导线，另一面利用热熔枪固定好2个香蕉头，并用导线连接.

3.2.4 楞次小车的制作

1)用美工刀切割得到2块10 cm×60 cm×0.9 cm和1块40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板；

2)用1块10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板做小车底板，用贴好小车轮子的圆柱亚克力充当小车车轮；

3)在40 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板上挖4个孔(2个孔用于安装线圈，2个孔用于安装香蕉头的插座)，垂直放置在小车底板的中央，并利用直角支架固定器角铁进行固定；

4)为了能制停小车，用1块10 cm×60 cm×0.9 cm的雪弗板充当小车运动的底面，并在其上面固定好4根直径为1 cm的圆木棍；

5)画上电路图，楞次定律探究仪制作完成，如图2所示.

图2 楞次定律探究仪

4 楞次定律探究仪的使用

4.1 探究感应磁场方向与原磁场方向的关系

1)如图3所示，将N极插入或拔出线圈，观察小车的运动方向，并记录线圈与磁铁的关系(排斥或吸引).

(a)插入线圈

2)改变磁极方向，将S极插入或拔出线圈，并记录线圈与磁铁的关系.

3)根据磁极的相互作用规律和观察到的现象，判断感应磁场方向与原磁场方向的关系(相同或相反)，进一步分析感应磁场对原磁通量的影响，总结得到表1的实验现象.

表1 探究感应磁场方向与原磁场方向关系的实验现象记录表

由表1可以得出：当线圈中的磁通量增加时，感应磁场方向与原磁场方向相反；当线圈中的磁通量减少时，感应磁场方向与原磁场方向相同，即感应磁场总是阻碍原磁通量的变化.

4.2 探究感应电流方向

1)如图4所示，将发光二极管的组件替换为导线组件，通过感应磁场方向与原磁场方向的关系，让学生运用“右手螺旋定则”判断感应电流的方向.

(a)插入线圈

2)撤去小车车轮，将N极插入或拔出线圈，观察并记录发光二极管的亮灭情况.

3)将S极插入或拔出线圈，观察并记录发光二极管的亮灭情况.得到的实验现象见表2.

表2 探究感应电流方向的实验现象

综合以上实验，可以得出以下结论：闭合回路中，感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化.

5 结束语

该自制楞次定律探究仪将探究感应电流的方向等价转换为探究感应磁场的方向，通过让学生动手感受线圈阻碍磁铁的相对运动，将感应磁场对原磁通量变化的“阻碍”作用具体化，帮助学生更好地理解楞次定律中“阻碍”的含义，再利用安培定则得到感应电流的方向并验证.该教具将感应电流和感应电流产生的磁场这2个变量分开，减少了学生学习楞次定律时的干扰性思维，让学生不必集中注意在过多的变量上，从而有利于学生更深层次地理解楞次定律.