何艷紅 黃春如

（1.江西省樟樹中學(xué)，江西樟樹 331200；2.江西省樟樹第三中學(xué)，江西樟樹 331200）

磁通量的變化率演示儀

何艷紅1黃春如2

（1.江西省樟樹中學(xué)，江西樟樹 331200；2.江西省樟樹第三中學(xué)，江西樟樹 331200）

隨著科技的發(fā)展，新材料、新技術(shù)為教具制作提供了更廣闊的空間，一些道不明、難講清的概念，通過實驗教學(xué)的輔助，可使抽象的概念具體化.磁通量的變化率演示儀就是這樣的一個制作案例，學(xué)生通過具體的演示實驗，不僅能很好地理解磁通量、磁通量的變化和磁通量的變化率之間的關(guān)系，還能啟迪學(xué)生探究問題的思路和方法，培養(yǎng)其觀察現(xiàn)象、提出問題、分析問題、形成結(jié)論的能力.師生共同設(shè)計實驗方案，一起邊制作邊實驗探究，既培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的實驗動手能力，更能進一步提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

磁通量；變化；變化率；演示儀

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是電磁學(xué)發(fā)展史上又一個重要成就，它進一步揭示了自然界電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促進了電磁理論的發(fā)展，為麥克斯韋電磁場理論的建立奠定了堅實的基礎(chǔ)，使現(xiàn)代工業(yè)、電工和電子技術(shù)得以建立和發(fā)展，對人類社會有著劃時代的貢獻.

法拉第電磁感應(yīng)定律是這一劃時代貢獻中的重要規(guī)律，它揭示了感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生依賴于磁通量的變化，而其大小取決于穿過電路的磁通量的變化率.在實際的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生是由磁通量的變化引起的容易接受，而對感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化率的關(guān)系卻難以理解.

為了在教學(xué)中較好的克服上述難點，我們制作了“磁通量的變化率演示儀”輔助教學(xué)，收到了很好的教學(xué)效果，現(xiàn)介紹如下.

1 實驗原理示意圖

圖1

圖1 為演示儀的實驗原理示意圖.線圈通過引線與反向并接的紅、藍顏色的LED相連.磁鐵正對線圈從位置A運動到位置C（或從位置B運動到位置C），必然引起線圈中的磁通量發(fā)生變化，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流、感應(yīng)電動勢.由于紅色LED發(fā)光所需工作電壓不小于1.8V，藍色LED發(fā)光所需工作電壓不小于2.0V，因此，當(dāng)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢達到或超過相應(yīng)數(shù)值時，LED閃亮.這樣，我們就可借助LED是否閃亮來判斷線圈中的感應(yīng)電動勢的量值，進而達到研究磁通量的變化量的大小，磁通量的變化率的大小與感應(yīng)電動勢的關(guān)系的目的，即怎樣的操作將引起LED閃亮.

2 實驗器材及裝配圖

運動時能產(chǎn)生光亮的兒童玩具滑板上的滑輪1個（取其中的線圈）.將滑輪外殼切開，小心取出其中的線圈；外徑為2cm的圓形釹鐵硼強磁鐵3小塊（疊加組合成一強磁體）；內(nèi)徑2cm的PVC塑料管一小段（將釹鐵硼強磁鐵置于其中，便于提拿）；紅、藍LED發(fā)光二極管2枚，將其并接后焊接在從滑輪中取出的線圈兩端.實物如圖2中的A、B，裝配圖如圖2中的C所示.

圖2

3 實驗過程及分析

演示者站立，左手拿線圈置于與腰部平齊部位，并使線圈平面水平.右手拿鑲嵌有釹鐵硼強磁鐵的PVC管.依據(jù)圖1實驗原理示意圖的方式進行如下操作.

（1）使磁鐵從位置A緩慢移到位置C，AC間的間距約15～20cm，觀察LED有無亮光.

（2）使磁鐵從位置B快速移到位置C，BC間的間距約8～10cm，觀察LED有無亮光.

（3）使磁鐵從位置C緩慢移到位置A，觀察LED有無亮光.

（4）使磁鐵從位置C快速移到位置B，觀察LED有無亮光.

結(jié)論1：磁鐵從位置A緩慢移到位置C時，LED無亮光.磁鐵從位置B快速移到位置C時，紅色LED閃亮.

結(jié)論2：磁鐵從位置C緩慢移到位置A時，LED無亮光.磁鐵從位置C快速移到位置B時，藍色LED閃亮.

圖3

結(jié)論及原因分析：磁鐵從位置A緩慢移到位置C，或從位置C緩慢移到位置A，引起線圈中的磁通量的變化量，比較磁鐵快速從位置B移到位置C，或從位置C移到位置B要更大，但線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢卻小于引起LED閃亮的臨界值.磁鐵從位置B快速移到位置C，或從位置C快速移到位置B，引起線圈中的磁通量的變化量，比較磁鐵緩慢從位置A移到位置C，或從位置C移到位置A要更小，但線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢反而大于引起LED閃亮的臨界值，導(dǎo)致紅、藍LED閃亮.

法拉第電磁感應(yīng)定律告訴我們，閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比.可見，電路中感應(yīng)電動勢的大小，并不取決于磁通量變化量的大小，而是決定于磁通量的變化率.要想從直觀上反應(yīng)出磁通量的變化率與感應(yīng)電動勢間的關(guān)系，可采用控制變量的研究方法：對同一個線圈而言，當(dāng)磁鐵從某一位置A變化到某一位置C時，引起線圈中磁通量的變化量是一定的.這樣，磁通量的變化率就由對應(yīng)的變化時間來決定.因而磁通量的變化率的大小，取決于線圈中磁通量變化所需的時間（磁通量的變化量一定），取決于磁鐵對應(yīng)運動時間的多少，即磁鐵運動的快慢決定了感應(yīng)電動勢的大小，從而決定了LED是否閃亮.這樣，二極管是否閃亮就和磁通量的變化率有機地結(jié)合在了一起.

磁鐵從A運動到C，引起線圈中的磁通量的變化量大，但過程時間長，磁通量的變化率小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢小，LED不亮；磁鐵從B運動到C，引起線圈中的磁通量的變化量雖然小，但過程時間短，磁通量的變化率反而更大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢更大，導(dǎo)致LED閃亮.

應(yīng)用該演示實驗，在幫助學(xué)生強化對感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率關(guān)系的理解的同時，還可以：（1）應(yīng)用LED的單向?qū)щ娦?，進一步驗證楞次定律的內(nèi)容.若磁鐵運動引起線圈中的磁通量增強（磁鐵靠近線圈）、導(dǎo)致磁通量的變化率達到一定量值時，引起紅色LED閃亮，則磁鐵運動引起線圈中磁通量減?。ù盆F遠(yuǎn)離線圈）、導(dǎo)致磁通量的變化率超過藍色LED閃亮的臨界值時，必引起藍色LED閃亮.（2）LED閃亮，必有電源給其供電，這個電源必是與LED相連的線圈，可幫助學(xué)生認(rèn)識和理解廣義的電源，思考這一電源中哪一種作用扮演了非靜電力的角色，為下一節(jié)感生電場的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).

該演示儀操作簡便，LED是否閃亮可更好地幫助學(xué)生判斷線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小，有利于學(xué)生更好地區(qū)分磁通量、磁通量的變化量與磁通量的變化率的關(guān)系，從而達到更好地理解法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容.

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書.物理選修3－2（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2010：1－20.

2 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書.物理選修3－2教師教學(xué)用書（第4版）人教版［M］.北京：人民教育出版社，2010：14－30.

2017－02－12）

本文為中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會全國物理教育科研重點立項課題“低成本物理實驗研究及教具制作”的研究成果之一（課題編號WLJY－2013ZD－013）.