自制“地磁场发电机”在高中物理教学中的应用

刘 宝

(江苏省淮阴中学 江苏 淮安 223002)

张东风

(苏州工业园区星海实验中学 江苏 苏州 215021)

在生产生活中普遍使用的交变电流，是基于电磁感应的相关知识，也是电磁感应内容的延续和发展．交变电流内容既要求学生具有一定的理论建模能力，又要求学生能体会其在实际应用中的作用，知识丰富且抽象，学生在学习过程中有一定困难．根据2017年版物理课程标准指出，通过实验，认识交变电流，实验探究的方式无疑是学生理解和掌握该部分知识的良好方案，同时“科学探究”的过程也是培养学生物理学科素养的重要途径，鉴于此，笔者在教学过程中对“交流发电机演示实验”进行了如下的思考和改进[1]．

1 教材原有实验反思和启发

1.1 反思1

发电机是学生学习法拉第电磁感应定律和交流电等知识的重要装置，2019年版普通高中教科书物理选择性必修第二册(人教版)第三章第1节第47页的手摇交流发电机模型如图1所示，摇动手柄，发电机即可发电，二极管交替发光．虽然该实验能说明一些结论，但还存在以下几点不足之处：其一线圈面积小，匝数多，又被磁铁框架遮挡，学生看不清楚内部结构，不利于学生进行直观地观察；其二传送皮带的带动作用使线圈转速远远大于手柄摇动转速，线圈转速太快，频率过大，学生不能同步跟踪交变电流的形成过程；其三是该发电机线圈所在磁场不是匀强磁场，教材中假设其为匀强磁场之后进行理论探究，不便于实验直接验证．

图1 手摇发电机模型

1.2 反思2

2004版普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2(人教版)第四章第2节第7页“探究电磁感应的产生条件”中的“做一做”栏目中有一题为“摇绳能发电吗?”的探究性课后实验[2], 如图2所示.其内容如下，把一根大约10 m长电线的两端连在一个灵敏电流计的两个接线柱上，形成闭合电路后，摇动这条电线，实验结果是灵敏电流计示数发生变化，说明导线中产生感应电流，该实验非常震撼、效果明显，学生非常感兴趣．这个实验告诉我们，地磁场不仅真实存在，而且可以用来探究使用，但是该实验由于空间限制，不方便在教室展示，笔者认为可以通过改进实验装置，利用地磁场发电，不仅可以利用无处不在的地磁场，并且可以利用其神秘感，激发学生兴趣．

图2 摇绳发电实验俯视图

1.3 启发

基于这两个课本实验，笔者考虑制作一款带有“大线圈”的“地磁场发电机”，不仅可以利用神秘的地磁场，而且通过增大线圈面积，让学生观察形象的发电机结构，方便学生理解，接下来进行详细的介绍．

2 自制“地磁场发电机”

2.1 自制“地磁场发电机”原理

把自己绕制的大线圈在地磁场中转动，根据微元思想，地磁场近似看作匀强磁场，线圈的转轴垂直于匀强磁场方向，使用灵敏电流计或者利用微电流传感器通过 DIS系统反应在电脑屏幕上，供学生观察和思考．

2.2 自制“地磁场发电机”材料

(1)木框或者塑料框，用于绕制导线，尺寸120 cm×80 cm，如图3所示；

图3 自制矩形大线圈

(2)漆包线，直径1 mm，绕制线圈200匝，约400 m；

(3)金属杆，用于穿起框架，约150 cm；

(4)金属支架，用于放置、转动线框，如图4所示；

图4 金属支架

(5)电流换向器如图5所示，自制铜片电极如图6所示，用于引出感应电流．

图5 自制换向器

图6 自制换向器铜片电极

将上述器材组装就可以完成“地磁场发电机”的制作，实物结构如图7所示，通过转动手柄，就可在灵敏电流计或者DIS系统中观测感应电流．

图7 发电机接灵敏电流计工作图

2.3 自制“地磁场发电机”创新之处

(1)充分利用时空，合理利用神秘的地磁场，运用“微元思想”生成匀强磁场，增强了实验本身的趣味性和吸引力，学生课上注意力显著增强.

(2)大线圈给学生形成强烈的视觉冲击，在大脑中形成深刻印象，身临其境，通过实际操作，感知到中性面等特殊位置，便于学生想象和理解相关概念，在理论推导中，更容易理解相关物理量和几何关系.

(3)该发电机既可以做定性感知，又可以做定量验证，用DIS微电流传感器同步动态输出真实电流，直观形象地呈现出感应电流随时间的变化，理解交变电流周期和频率的实际意义.

(4)自制器材取材方便，贴近生产生活实际，亲和力强，安装简单灵活，便于学生体会探究过程，突破教学难点，达成教学目标．

3 使用自制“地磁场发电机”在“交变电流”中的应用

3.1 神秘磁场显神通引人入胜交流电

教学片段：

师：现有大线圈和电流表构成回路，老师有“魔力”能让电路来电，同学们相信吗？大家可以积极讨论和猜想．

师：用图7装置进行演示，灵敏电流计通过实物展台进行展示，学生观察电流表指针变化情况．

师：同学们已经观察到电流表显示了电流，这个电流产生的原理是什么呢？

生：该实验利用了电磁感应的基本原理，并借助地磁场，让闭合线框在磁场中转动，使通过线框的磁通量发生变化．

师：同学们做一猜想，闭合线框产生的电流是交流还是直流？请给出理由．

生：随着线框转动，由于穿过闭合线框的磁通量不断周期性的增加和减少，引起导线中电流的大小、方向都在周期性变化，故我们认为此电流是交变电流．

设计思想：源自生活，返璞归真，以简致胜，借地球磁场构建生活情境，通过定性实验，让学生体会真实的发电实验．

3.2 追本溯源探真知 理论实验齐步走

教学片段：

师：对同学们猜想和理解表示肯定，同学们能具体分析一下交流电的大小和方向是如何变化呢？借助发电机线圈以及地磁场的特点，向学生展示地磁场发电机发电的特殊位置和一般位置，让学生进行分析，如图8和图9所示，将对应的特殊位置产生的电动势情况尝试画在E-t图像中．

图8 发电机转动特殊位置

生：定性分析出结论，将特殊点画在图9中．

图9 特殊位置电动势

师：一般位置的电流大小如何呢？点与点之间如何变化呢？是线性变化吗？借助发电机线圈一般位置特征，结合右手定则，帮助学生分析交流电的瞬时值大小和方向，并介绍相关概念．

生：借助理论工具，推导出感应电动势瞬时表达式：E=nBSωsinωt，感应电流瞬时表达式

师：经过理论推导，同学们推导的公式符合实际情况吗？如何检验呢？

生：可以将地磁场发电机接在DIS传感器上，通过计算机显示其电流变化情况，如图10和图11所示．

图10 发电机接传感器工作图

图11 计算机软件记录数据

师：通过观察波形，在误差允许范围内，该电流随时间变化图线为正余弦函数图像，而变化图线周期不是均匀变化？这又是什么原因？

生：可能是转动手柄速度不一致造成的，或者可能是磁场不均匀造成的．

师：如果采用秒表计时，控制转动速度，可以让波形接近正弦函数图样，如图12所示，并且观察特殊位置时电流大小，进一步理解中性面等特殊位置电流特点．

图12 电流随时间变化曲线

设计思想：学生通过已学知识，进行理论探究，得出交变电流感应电动势、感应电流瞬时表达式，理论结果及时通过实验验证，既让学生体会理论推导成功的喜悦，又让实验思想深入学生认知，对培养学生科学精神大有帮助．

3.3 交变电流最大值 返璞归真量地磁

教学片段：

师：通过理论分析，我们知道交变电流最大值为Em=nBSω，能否通过该公式和实验数据计算出电磁场分量的数量级呢？

具体计算过程如下：

n=200匝，S=0.6 cm2，ω=2π rad/s，R=4 000 Ω，r=32.3 Ω，Im1=4.8 μA，Im2=7.2 μA，解得

B1=2.57×10-5TB2=3.80×10-5T

通过查阅相关资料B标=5.00×10-5T，有

我们计算的地磁场数量级和实际值一致，数值偏小可能是由于地磁场有其他方向分量，或者仪器检测精度偏差等原因造成的．

设计思想：通过本节知识的学习，学生对交变电流的认识已经达到一定高度，设计让学生计算地磁场的问题，将知识又用于生活，源于生活，回归生活，让学生从身边体会物理的奥秘，从而爱上物理．

4 结束语

自制“地磁场发电机”源于对教材的深刻思考，源于对生活的细致观察，源于笔者对实验教学的热爱，源于学生喜闻乐见的方式.贴近学生, 容易引起他们的兴趣[3], 特别是体现在以问题为引领、探究为主线、发展学生物理学科核心素养等方面，让学生在课堂上始终带着问题、带着兴趣、带着对知识的向往学习，不仅打造了高效率的课堂、乐学的氛围，而且有利于学生后续的发展．