磁場對通電導(dǎo)線作用力的趣味實驗

肖穹橋 謝寶增

摘 要：電與磁在生活中有廣泛應(yīng)用，相關(guān)命題在高考中“出鏡率”較高。筆者應(yīng)用安培力等電磁規(guī)律自制旋轉(zhuǎn)的線圈、電池，神奇的紙喇叭、紙話筒和電磁彈射裝置。通過視聽體驗，直觀呈現(xiàn)物理的科學(xué)性、趣味性、實用性，并且關(guān)注物理前沿，培養(yǎng)了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)的線圈；電池；神奇的紙喇叭；紙話筒；電磁彈射

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）3-0053-3

在我們學(xué)習(xí)了安培力規(guī)律之后，為了加深對所學(xué)知識的理解，筆者帶領(lǐng)興趣小組設(shè)計了三個在生活、科技中應(yīng)用安培力的趣味實驗，寓教于樂。

趣味實驗1：旋轉(zhuǎn)的線圈、旋轉(zhuǎn)的電池

儀器： 5號電池1節(jié)，圓柱形強(qiáng)磁鐵若干，直徑2 mm的銅線，螺絲釘，飲料瓶支架。

（1）儀器設(shè)計、組裝：

先用美工刀切割營養(yǎng)快線瓶上部分，做一個半開口的簡易支架。再用螺絲釘穿透塑料瓶蓋，上方用磁鐵吸住螺絲釘?shù)拇箢^，然后用螺絲釘?shù)募舛耍∝?fù)極吸有磁鐵的5號電池的正極，最后用導(dǎo)線連接上下磁鐵構(gòu)成回路（注意上下方磁鐵極性，避免電池脫落）?？梢?，借助磁鐵能使南孚電池自動旋轉(zhuǎn)飛舞，又快又炫。（圖1右）

（2）原理：利用強(qiáng)磁鐵的磁性和導(dǎo)電性，借助心形銅線構(gòu)成一個閉合回路，通電導(dǎo)線在磁場中受安培力旋轉(zhuǎn)（圖1左）。同理，可以手持銅線不動，使磁鐵帶動電池旋轉(zhuǎn)（如圖1右）。

趣味實驗2：神奇的紙喇叭、紙話筒

儀器：A4紙，銅線（細(xì)漆包線），強(qiáng)磁鐵，舊音箱功放模塊（拆除內(nèi)置重低音喇叭），手機(jī)音樂，玩具小馬達(dá)，導(dǎo)線，鱷魚夾等。

（1）紙喇叭的制作：先在一張A4紙上打印一個喇叭，然后在背面，繞半徑不同的數(shù)十匝細(xì)銅線，銅線總電阻6 Ω左右（可用雙面膠固定銅線）。銅線兩端引出一對鱷魚夾，方便輸入音頻信號，最后用透明膠帶密封。

（2）紙喇叭原理：手機(jī)音樂等交流音頻信號經(jīng)過舊音箱功放模塊放大電流后輸出到紙喇叭，線圈在磁場中受大小、方向都變化的安培力，于是線圈帶動紙張有規(guī)律地振動，發(fā)出與原音頻信號波形相同的聲音。

（3）儀器組裝、演示：

①A4紙喇叭：如圖2，先拆開舊音箱，切斷它自帶的重低音喇叭，僅利用其功放模塊對電流進(jìn)行放大。首先手機(jī)音樂通過音頻線輸入舊音箱，交流音頻信號經(jīng)過放大后，再由另一根音頻線輸出到紙喇叭。一個強(qiáng)磁鐵，當(dāng)身體靠近紙喇叭的時候，請仔細(xì)聽，有聲音了。遠(yuǎn)離的時候沒聲音，靠近的時候有聲音。一張紙怎么能唱出歌來呢？它的秘密在哪里呢？它的秘密原來就是因為在紙背面繞了一些線圈（圖4）。

②用玩具小馬達(dá)自制喇叭：領(lǐng)略了物理的奇妙，知道喇叭其實非常簡單，就是線圈和磁鐵的組合。同學(xué)們迫不及待，合作探究制作了一個外形奇特的喇叭（圖3）。原來馬達(dá)里面也有線圈和磁鐵。手機(jī)音樂先經(jīng)過音箱放大電流，再輸入音頻接口，音頻接口用導(dǎo)線連接玩具小馬達(dá)內(nèi)部的線圈兩端構(gòu)成回路。為了增強(qiáng)效果，可把一次性紙杯和電機(jī)驅(qū)動軸用熱熔膠連接成一體，構(gòu)建一個共鳴箱。

③紙喇叭VS紙話筒：強(qiáng)調(diào)喇叭的工作原理是電生磁，而不是磁生電，學(xué)生很容易混淆。因此，筆者設(shè)計了一個對比實驗，將A4紙喇叭連接小蜜蜂MIC接口，如圖4。對著紙喇叭中的線圈吹風(fēng)，小蜜蜂發(fā)出呼呼聲。為了獲得良好的視聽體驗，可以打開手機(jī)音樂，使手機(jī)貼近喇叭，我們發(fā)現(xiàn)小蜜蜂立刻“嗨”起來了，可見小喇叭華麗變身話筒了。

紙話筒原理：聲音使線圈振動，于是線圈在磁場中切割磁感線，在線圈和小蜜蜂構(gòu)成的閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，并經(jīng)過小蜜蜂放大讓人聽見。

趣味實驗3：電磁彈射實驗

儀器：鋁環(huán)火箭，450 V、680 μF的電容器2個，1 000 V、2 A的整流二極管2個，220 V、60 W的白熾燈、燈座各一只，雙刀雙位開關(guān)，J2423R可拆變壓器鐵芯，自繞銅線圈（2 mm漆包線，匝數(shù)360）。

（1）儀器設(shè)計

本實驗是模擬美國“福特”號核動力航母首次搭載電磁彈射。

①鋁環(huán)火箭的制作

取一只600 mL的百事可樂瓶，用美工刀裁掉瓶底部分，將瓶身豎放在鋁環(huán)上面，并用紅色硬紙板卷成環(huán)形把鋁環(huán)和瓶身包圍，然后用透明膠帶將鋁環(huán)和可樂瓶粘成一體。為使火箭顯得科學(xué)、美觀、實用，瓶口用紅色玩具交通錐罩住制作整流罩并用熱熔膠固定，瓶身粘貼五星紅旗。（如圖5中的A）

②電源發(fā)生器制作

按圖6中的電路所示，將二極管、電容元件焊接在電路板上，用導(dǎo)線連接好雙刀雙位開關(guān)，并通過絕緣糖果盒把電路防護(hù)起來。最后引出電源插頭和向外放電的連接線和外置電燈，實物如圖5中的C。

（2）原理

如圖6中的開關(guān)S扳向左邊，220 V市電經(jīng)倍壓整流向電容器充電，輸出電壓高達(dá)622 V。開關(guān)S扳向右邊，電容器向線圈放電，線圈中的大電流使鋁環(huán)內(nèi)磁通量激增，鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，鋁環(huán)火箭在磁場中受到遠(yuǎn)大于自身重力的安培力，一飛沖天（如圖7所示）。

（3）操作說明

①儀器組裝：如圖5中的B所示，把J2423R可拆變壓器的橫軛鐵芯豎直放在自制的360匝的線圈上方，使橫軛鐵芯與線圈內(nèi)的鐵芯對接，鋁環(huán)火箭豎直套在鐵芯上，將帶鱷魚夾的放電導(dǎo)線連接在線圈兩端。

②火箭試射：插頭接220 V交流電，把開關(guān)S扳向充電端，電燈由亮變暗顯示正在對電容器充電，電燈熄滅，顯示充電結(jié)束。把開關(guān)S扳向放電端，電容器對線圈放電。放電瞬間，可見鋁環(huán)火箭“啪”地向上射出約3 m高，贏得學(xué)生陣陣掌聲。

（4）注意事項

①電源發(fā)生器安全：選塑料糖果盒，充當(dāng)絕緣防護(hù)外殼。

②科學(xué)：充電線路串聯(lián)一個220 V、60 W的白熾燈，它相當(dāng)于大功率純電阻可以限流保護(hù)電路，又能直觀顯示充電過程。白熾燈，自身功率大，不易被燒壞，電源裝置更耐用。

③方便：體積小，便于攜帶和現(xiàn)場展示。

通過探索與實踐，學(xué)生體驗到物理方程以外的美，激發(fā)了學(xué)生對物理科學(xué)的濃厚興趣，提升了學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新和科學(xué)探究與交流的能力，最終為培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力打開了一扇窗。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱向陽，施國富.磁炮式跳環(huán)實驗[J].教學(xué)儀器與實驗，2010（11）：29.