家用電磁爐在物理演示實驗中的巧用

肖 永

(宿遷高等師范學校,江蘇 宿遷 223800)

·實驗研究·

家用電磁爐在物理演示實驗中的巧用

肖 永

(宿遷高等師范學校,江蘇 宿遷 223800)

物理學是一門以實驗為基礎的科學,在物理教學中利用日常用品做物理演示實驗,不僅能體現(xiàn)“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,而且可以增進學生對物理學科的親近感,提高學生的參與程度,提升學生學習物理的興趣和探究能力.本文用常見的電磁爐演示電磁感應現(xiàn)象,讓物理真正走進學生的生活,讓他們感受物理就在自己的身邊.

電磁爐;演示實驗;電磁感應

電磁爐是家庭必備廚具,是利用電磁感應原理制成的高效節(jié)能烹飪器具.電磁爐是由高頻感應線圈(勵磁線圈)、高頻電流轉換電路、控制電路及鐵磁性鍋底炊具組成,其工作原理是:先將220V、50Hz的交流電經(jīng)過整流電路轉換為310V直流電,再經(jīng)過LC振蕩電路轉換為15kHz～30kHz的高頻交流電,高頻交流電通過電磁爐陶瓷板下方的扁平螺旋狀的環(huán)形線圈形成高頻交流磁場,該磁場的磁感應線穿透上方的陶瓷平板后,若作用于平底鐵質鍋具,會產(chǎn)生渦流,高速發(fā)熱，以達到加熱食品的目的.

根據(jù)電磁感應定律，高頻交變電流的磁場若作用于線圈，便能在線圈中產(chǎn)生電動勢,將其電壓輸出，能達到向外供電的目的.若作用于輕質銅環(huán)、鋁環(huán)，便能在其中產(chǎn)生渦流,對外顯示渦流的力效應.筆者利用電磁爐勵磁線圈能提供交變磁場的功能,開發(fā)了電磁感應實驗,不僅解決了現(xiàn)有器材難于滿足教學要求的問題,而且能有效地提高教學質量、培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)及創(chuàng)新意識.

我們在生活中使用的電磁爐具有多重保護功能,比如有過壓保護、過流保護、防干燒保護、鍋具檢測保護等.如果在電磁爐上不放鍋具,電磁爐就不能正常工作,并發(fā)出無鍋具報警，我們的實驗就無法進行.為了能讓實驗得以順利進行,筆者在實驗中用了一塊12×15厘米的鐵板來代替鍋具,這樣就可以“欺騙”電磁爐,讓它能夠檢測到鍋具,從而不讓其鍋具檢測保護電路工作，讓實驗得以進行,電磁爐就成了我們高頻交變磁場的實驗平臺.

實驗材料:電磁爐，LED燈泡，40W白熾燈泡，40W日光燈管，易拉罐，鐵板，J2423型可拆變壓器，楞次定律演示器.

實驗一:用電磁爐點亮LED、白熾燈泡、日光燈管

圖1

(1) 如圖1所示，首先將LED與1-2匝線圈連接,將其放置到電磁爐的臺面上,并將鐵板放在中間,開啟電磁爐,可以看到鐵板在被加熱的同時,LED發(fā)光.實驗告訴我們電磁爐產(chǎn)生的高頻交變磁場穿過了閉合的含LED電路,使穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化,因此產(chǎn)生了感應電動勢，驅動LED發(fā)光.

(2) 如果將LED換成40W白熾燈泡,并換用可拆變壓器的副線圈(400-500匝),兩者串聯(lián)起來形成閉合回路.重復以上實驗,可以看到白熾燈泡完全可以被點亮.實驗時如果將一根鋁制管材插到線圈中,可以觀察到LED或白熾燈泡將會有所變暗,這說明鋁制材料是非鐵磁性材料.如果實驗時在電磁爐臺面與線圈之間放置一塊薄的金屬鋁板,我們會發(fā)現(xiàn)LED或白熾燈泡將完全熄滅,這說明鋁制金屬板對電磁場有一定的屏蔽作用.

(3) 我們還可以將上面實驗中的40W燈泡換成平時我們常用的日光燈管,接到可拆變壓器的原線圈(1500匝)上,開啟電磁爐同樣可以看到日光燈管被點亮,說明電磁爐工作時產(chǎn)生的交變磁場在線圈中產(chǎn)生了很高的交流電壓，驅動日光燈管發(fā)光.

實驗二:用電磁爐驗證楞次定律

圖2

實驗裝置如圖2所示,首先將鐵板放置在電磁爐的灶臺面板上的一側,再將演示變壓器中的鐵芯放置在另外一側,并將條形鐵芯放置在U形鐵芯的一個立柱上面.楞次定律演示器中有一個閉合環(huán),將這個閉合環(huán)靠近鐵芯,此時給電磁爐通電并啟動電磁爐,可以看到通電后閉合的圓環(huán)被鐵芯排斥，從而發(fā)生偏轉,這是因為電磁爐工作時產(chǎn)生的高頻交變磁場通過鐵芯的引導穿過了圓環(huán),根據(jù)楞次定律，閉合環(huán)產(chǎn)生的感應電流會阻礙磁通量的變化，從而產(chǎn)生排斥.如果換上開口環(huán)而不是閉合環(huán),那么就看不到相互排斥的現(xiàn)象，因為此時開口環(huán)中沒有電流.

實驗三:用電磁爐演示渦流的力效應

圖3

實驗裝置如圖3所示,將鐵板放置在電磁爐灶臺上一側,再將另一側放置一只鋁質空易拉罐,然后開啟電磁爐,可以看到易拉罐會轉動并快速離開電磁爐灶臺而滾落到地面.這是因為電磁爐產(chǎn)生的高頻交變磁場在鋁質易拉罐中產(chǎn)生了渦流,由于高頻交變磁場對渦流又有力的作用，從而使易拉罐受力而滾落.

本實驗中還可以在易拉罐兩側，對稱地各鉆一個小孔,用細鋼絲穿過兩孔,以此為軸讓易拉罐自由轉動,開啟電磁爐后,用手拿著鋼絲的兩端將易拉罐的一部分(不是全部)靠近電磁爐臺面,這時易拉罐會旋轉起來,而且放在不同地方時轉速不同.這是因為易拉罐的一部分放置在電磁爐臺面上,鐵板減弱了電磁爐所產(chǎn)生的高頻交變磁場,易拉罐這一部分中渦流較弱,力矩較小,而沒有被遮擋的部分渦電流較強,力矩較大，易拉罐在力矩作用下發(fā)生轉動.

實驗四:用電磁爐演示渦流的熱效應

圖4

由于塊狀金屬內(nèi)的感應電流,金屬盤內(nèi)的感應電流我們看不見摸不著,可以通過電流的熱效應(即電流通過電阻時會發(fā)熱)把感應電流呈現(xiàn)出來.將鐵板放置在電磁爐的臺面上并在鐵板上放置2-3根火柴,啟動電磁爐,1分鐘后可以看到火柴被點燃.還可讓插有火柴的金屬盤靠近工作中的勵磁線圈,火柴會被點燃.這說明金屬盤發(fā)熱了,支持了金屬盤內(nèi)會產(chǎn)生感應電流這一觀點.

變化的磁場穿過塊狀金屬導體時,導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應電流,這種電流叫作渦流.通過前面實驗得知：導體中有渦流時會發(fā)熱,說明渦流像其他電流一樣也具有熱效應.渦流的熱效應在生活、生產(chǎn)中有重要的應用,如電磁爐、真空冶煉爐都是利用渦流的熱效應來工作的.

物理是一門來源于生活而高于生活的科學,利用身邊的日常生活用品去做實驗,這對學生來說感到格外親切,可以拉近科學與生活的距離,讓學生深切地感受到科學的真實性,正確認識科學和社會、生活的關系.

[1] 盧洲.電磁爐的簡易教學演示[J].物理教學,2008,(4).

[2] 丁駿.電磁爐使用中的幾個物理問題[J].物理教學探討,2007,(3).