郭文海 陳成奇

一、問題的提出

通過多年的初中物理教學(xué)，筆者感覺在學(xué)習(xí)電與磁這一章時(shí)，教師要做的實(shí)驗(yàn)比較多也比較零散，在復(fù)習(xí)時(shí)學(xué)生會(huì)對三大現(xiàn)象及應(yīng)用也特別容易產(chǎn)生混淆。為了突破這些難點(diǎn)和易混點(diǎn)，筆者特別設(shè)計(jì)了“電與磁多功能演示器”。演示器的突出特點(diǎn)是制作材料易得、制作成本低、使用的綜合性強(qiáng)，能滿足教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，使教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)變得更加游刃有余，大大提高了教學(xué)和學(xué)習(xí)效率。

二、制作及使用

1.所需材料與制作過程

兩塊細(xì)木工板、電池組(干電池4節(jié))、線圈4個(gè)(L1，L2，L3，L4)、開關(guān)(S1，S2，S3，S4，S5)、指南針1個(gè)、自制電鈴1個(gè)、自制電動(dòng)機(jī)1個(gè)、小鐵釘若干。

本裝置的主體部分主要利用裝飾材料的下腳料(2塊細(xì)木工板)制作而成，另外再準(zhǔn)備一些漆包線(0.2～0.5 mm，可以從廢舊的小型電動(dòng)機(jī)或小型變壓器上拆用)、幾根5 cm長的鐵釘、廢舊自行車鈴、導(dǎo)線和小鐵釘若干，指南針可以用鋼針自制，像電鈴、電動(dòng)機(jī)和電磁鐵上用的線圈都可以自己繞制(如圖1～2所示)。

圖1 裝置實(shí)物圖

圖2 裝置簡圖

2.使用注意事項(xiàng)

(1)裝置的長邊應(yīng)與南北方向平行放置(減少地磁場對指南針的影響)。

(2)閉合S1，S2，S3時(shí)時(shí)間要短，以免電流過大而燒壞電源。

(3)使用電動(dòng)機(jī)時(shí)如果不轉(zhuǎn)，可用手轉(zhuǎn)一下，讓其轉(zhuǎn)過平衡位置。

(4)使用電鈴時(shí)響聲如果不響亮，可以調(diào)整一下螺釘或彈簧片。

3.操作方法、原理與效果

(1)閉合S1，通過觀察指南針的擺動(dòng)情況，可研究電流的磁效應(yīng)(如圖3所示)。

圖3

這根通電導(dǎo)線直接接在4節(jié)五號(hào)干電池的兩極上，所以瞬間通過的電流比較大，由于電流的磁效應(yīng)，在通電導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，磁場對下面的小磁針產(chǎn)生磁力作用，而使磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明通電導(dǎo)線周圍存在磁場，并能研究導(dǎo)線上方和下方的磁場方向，對調(diào)電池的正負(fù)極，還能探究通電導(dǎo)線周圍的磁場方向與電流方向的關(guān)系，要注意小磁針紅色一端所指的方向是否改變。

(2)閉合S2可使線圈L1，L2串聯(lián)接入電路，通過觀察線圈吸起鐵釘多少，可以得出線圈的磁性強(qiáng)弱與線圈匝數(shù)之間的關(guān)系(如圖4所示)。

圖4

說明：線圈L1和L2是串聯(lián)在電路中的(串聯(lián)電路中電流處處相等)，L1為100匝，L2為200匝，由6 V電源提供直流電。由于電流的磁效應(yīng)鐵釘會(huì)被吸引，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很容易看出線圈匝數(shù)越多吸起的鐵釘越多，這充分說明在電流一定時(shí)，通電線圈的匝數(shù)越多，磁場越強(qiáng)。

(3)閉合S3可使L3，L4接入電路，通過觀察線圈吸起鐵釘?shù)亩嗌?，得出線圈的磁性強(qiáng)弱與線圈中電流大小之間的關(guān)系(如圖5所示)。

圖5

說明：線圈L3和L4匝數(shù)相同，但接在不同電壓的電路中，L3接入電壓為1.5 V，L4為6 V，這樣2個(gè)線圈中的電流不同，在線圈匝數(shù)相同時(shí)，電壓越高電流越大，通電線圈產(chǎn)生的磁場越強(qiáng)。通過2個(gè)線圈吸引鐵釘?shù)亩嗌?，可直接得出正確結(jié)論，現(xiàn)象明了，充分說明在線圈匝數(shù)一定時(shí)，電流越大，磁場越強(qiáng)。

(4)閉合S4可使電動(dòng)機(jī)接入電路，通過觀察可了解電動(dòng)機(jī)構(gòu)造、原理及工作過程(如圖6所示)。

圖6

由裝置不難看出，電動(dòng)機(jī)主要由定子(提供磁場)、轉(zhuǎn)子、換向器組成。當(dāng)S4閉合時(shí)，線圈會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，說明通電導(dǎo)體在磁鐵提供的強(qiáng)磁場中受力而運(yùn)動(dòng)，并且對調(diào)電源的正負(fù)極，可以看到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生改變。這說明了通電線圈受力的方向與電流方向之間的關(guān)系。若換用1節(jié)五號(hào)干電池供電，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)明顯下降，這充分說明了受力的大小與電流大小的關(guān)系。若閉合S4時(shí)線圈不轉(zhuǎn)，有可能存在以下原因：線圈兩端與電源線接觸不良；線圈處在平衡位置；電流太小，線圈受力太小不足以克服摩擦力。做實(shí)驗(yàn)時(shí)這些現(xiàn)象都是正常的，可讓學(xué)生自己解決，提高學(xué)生對電動(dòng)機(jī)故障的檢修能力，又能使學(xué)生對電動(dòng)機(jī)有更加深入的了解，感知學(xué)習(xí)物理的實(shí)用價(jià)值。

通過這部分構(gòu)造如果再配一個(gè)靈敏電流計(jì)，還可以演示電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并能探究感應(yīng)電流的方向與線圈運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向之間的關(guān)系，具體做法是串入靈敏電流計(jì)，向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，或把轉(zhuǎn)子下面的定子反放，以改變磁場的方向，然后觀察靈敏電流計(jì)的指針擺動(dòng)方向。同時(shí)也可以探究感應(yīng)電流的大小與線圈轉(zhuǎn)動(dòng)速度和切割角度的關(guān)系，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過磁場的上方時(shí)，觀察線圈以不同角度切入磁場時(shí)靈敏電流計(jì)的指針擺動(dòng)速度和幅度，以此得出結(jié)論。

(5)閉合S5可使電鈴工作，通過觀察可了解電鈴構(gòu)造、原理及工作過程(如圖7所示)。

構(gòu)造：電磁鐵、彈簧片、敲錘、鈴

工作原理：當(dāng)給電磁鐵通電時(shí)，電磁鐵有磁性把彈簧片吸下同時(shí)敲擊鈴一次，同時(shí)切斷電路(彈簧片與觸點(diǎn)分離)使電磁鐵失去磁性，彈簧片在彈性作用下自然復(fù)位(彈簧片與觸點(diǎn)接通)，使電路接通電磁鐵又重新獲得磁性，如此反復(fù)就發(fā)出了連續(xù)的鈴聲。通過此裝置學(xué)生可以很直接地感知電鈴的工作過程，并可以動(dòng)手探究電鈴的發(fā)聲頻率與哪些因素有關(guān)，拓展了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們感知到了學(xué)習(xí)物理的真正價(jià)值。

圖7

三、創(chuàng)新點(diǎn)及其意義

(1)結(jié)構(gòu)簡單容易制作，在制作的過程中都是學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦找材料和制作，所以可以大大提高學(xué)生的動(dòng)手及動(dòng)腦能力。

(2)使用操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形象直觀，更容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電磁知識(shí)的積極性，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)物理的價(jià)值與意義，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

(3)本裝置可以完成電與磁的三大現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解電鈴、電動(dòng)機(jī)、電磁繼電器和電磁鐵的構(gòu)造原理及工作過程，也可在綜合復(fù)習(xí)時(shí)使用。使用它能提高教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效率，所以綜合性和實(shí)用性很強(qiáng)，并可大批量生產(chǎn)和使用。