李錫均 程敏熙

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

目前我國高中物理選修3-2的各版本教材,通常會在“電磁感應(yīng)”一章中設(shè)置有關(guān)渦流的內(nèi)容．渦流與生活實際聯(lián)系十分密切,教材也著重突出了這一點,如粵教版、滬科版[1-2]等多個版本的教材都在這一節(jié)中舉了電磁爐的例子,引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實際．

然而,由于電磁場看不見、摸不著,學(xué)生對于電磁爐“發(fā)射交變磁場→引起金屬鍋底產(chǎn)生渦電流→鍋底因電流熱效應(yīng)而發(fā)熱”這一抽象過程的理解,還是有一定難度的．而且有教師指出,若單純以實例說明來解釋物理現(xiàn)象,而沒有實驗支持,會使得學(xué)生缺少感性體驗,其教學(xué)效果也會變得不太理想[3]．

對此,本文擬設(shè)計一趣味演示實驗,利用電磁爐發(fā)射出來的交變磁場,通過電磁感應(yīng)原理點亮小燈泡．并在此過程中間接展現(xiàn)原本不可見的交變磁場,在激發(fā)學(xué)生興趣的同時也加深學(xué)生對電磁感應(yīng)、電磁爐工作原來等知識的理解．

具體內(nèi)容如下:

1 需要的材料器具

電磁爐、鐵質(zhì)或不銹鋼器皿、銅導(dǎo)線若干(或定制的高匝數(shù)線圈)、電燈底座、燈泡．

2 操作步驟

(1) 讓電磁爐發(fā)射交變磁場.

圖1

電磁爐內(nèi)部的核心部件為一個大的導(dǎo)線線圈(如圖1),通過對線圈通入交變電流,從而使線圈發(fā)射交變磁場．傳統(tǒng)的舊式電磁爐只要啟動開關(guān)便會發(fā)射交變磁場,但近年來隨著技術(shù)的進步,以及出于安全的考慮,當(dāng)前市面上的電磁爐都會自帶“無鍋保護”或者“空鍋保護”功能．電磁爐能自動感應(yīng)其受到的電磁阻尼大小,當(dāng)爐上沒有鐵質(zhì)器皿或者器皿內(nèi)部為空的情況下,產(chǎn)生的電磁阻尼較小,電磁爐則會自動停止發(fā)射交變磁場．

對此,為了能讓電磁爐持續(xù)正常工作,本文采用的辦法是在爐上放置一個不銹鋼碟,并在里面裝適量清水(如圖2)．由于整個演示實驗的時間較短,一般在水沸騰以前就能完成實驗,不會產(chǎn)生安全問題．

圖2 將裝水的不銹鋼器皿放于電磁爐上

(2) 線圈及燈泡組合電路的制作.

電路圖設(shè)計如圖3所示．線圈可以自行繞制銅線制作(匝數(shù)至少要50匝)．對于條件較好的學(xué)校(配備DIS傳感器實驗室),可直接使用DIS系統(tǒng)的線圈配件(100匝)進行實驗．

圖3 線圈燈泡組合電路

對于燈泡的選取,應(yīng)選取額定功率盡可能低的節(jié)能LED燈(本文選用了額定功率為3 W的節(jié)能燈泡),以保證線圈感應(yīng)電流的功率能夠點亮小燈泡,而且LED燈的發(fā)光視覺效果較好,能更加吸引學(xué)生的眼球．否則使用常規(guī)實驗室的小燈泡亦可．最后組合裝置如圖4．

(3) 實際演示.

圖5 最終演示效果

上述準(zhǔn)備工作完成后,將線圈放置在電磁爐的正上方,燈泡即被交變磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流點亮了(如圖5)．實驗演示者還可以適當(dāng)?shù)貙⒕€圈向上,或向左右移動,可觀察到燈泡的亮度相應(yīng)的變暗,通過這種適當(dāng)調(diào)整線圈位置的方法,便可根據(jù)相應(yīng)的燈泡亮度間接“看見”交變磁場的位置．

另一方面,由于電磁爐發(fā)出的磁感應(yīng)線是封閉的閉合曲線,因此適當(dāng)轉(zhuǎn)動線圈的角度,也可觀察到燈泡亮度的變化．

3 結(jié)語

總的來說,本實驗所需材料源于生活,簡單易得,大部分物品可從五金店購取,實驗難度與實驗成本較低．

本文作者曾在實習(xí)期間講到渦電流一節(jié)時演示了此實驗,在燈泡被點亮?xí)r教室中響起了此起彼伏的驚嘆聲,可見實驗現(xiàn)象對學(xué)生有著強烈的吸引力．

除此之外,本實驗還適合學(xué)生課外制作．有幾名不在執(zhí)教班級但又相熟的學(xué)生,在本文作者的指導(dǎo)下,回家自主進行了此實驗,并取得了良好的實驗效果．學(xué)生們表示,此動手過程激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣．而且實驗成功之時,在家人們驚異的眼光中,他們也獲得了不少的成就感．

1 束炳如. 物理選修3-2[M]. 上海:上?？萍冀逃霭嫔? 2004.

2 保宗悌. 物理選修3-2[M]. 廣東:廣東教育出版社, 2005.

3 徐益勇. 渦流熱效應(yīng)演示實驗的改進[J].物理教師,2016,37(1):57-59.