基于DIS對“電磁阻尼演示實驗”再探究

陜西省西安市經(jīng)開第一中學(710018) 孫 濤

閉合導體與磁體發(fā)生切割磁感線的運動時,由于閉合導體的磁通量發(fā)生變化,在閉合導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流,這一電流所產(chǎn)生的磁場會阻礙兩者的相對運動,把這一現(xiàn)象稱為電磁阻尼。筆者由人教版物理選修第4章第7節(jié)“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”問題與練習第3題受到啟發(fā),自制了一套電磁阻尼對比演示實驗裝置。此裝置借助強性磁鐵穿過等長鋁管和PVC塑料管的時間差來定性解釋電磁阻尼現(xiàn)象,并進一步借助DIS通過F－t數(shù)據(jù)圖線對實驗再探究。

1 自制教具

如圖1所示,分別為：①銣鐵硼強圓柱體磁鐵10片(直徑10mm,小于空心鋁管內(nèi)徑);②外形和大小一樣的鐵圓柱體和強磁圓柱體各1塊;③2根長度和粗細一樣的空心鋁管和PVC 塑料管(長42cm,直徑20mm)。

2 實驗演示

讓空心鋁管和PVC 塑料管豎直放置,讓強性磁鐵分別從管上口自由落下,通過比較它們離開管下口的時間差,感知磁鐵通過鋁管的阻礙作用。另外,我們還可以通過判斷磁鐵與桌面碰撞的聲音大小,來認識鋁管對磁鐵的阻礙作用。

圖1 自制教具

3 現(xiàn)象解釋

空心鋁管可以看成是由無數(shù)閉合的鋁環(huán)組成,在強磁體進入鋁管做自由下落運動的過程中,穿過閉合鋁環(huán)回路的磁通量發(fā)生變化(強磁體上方鋁管中的磁通量減小,下方鋁管中的磁通量增加),閉合鋁環(huán)回路中產(chǎn)生感應電流。根據(jù)楞次定律,感應電流的磁場將對下落的強磁體產(chǎn)生阻力的作用(強磁體上下兩端都受到向上力的作用),所以強磁體在鋁管中會緩慢下落,這就是電磁阻尼現(xiàn)象。由于PVC塑料管不是導體,強磁體在其中做自由下落運動時,沒有感應電流產(chǎn)生,沒有電磁阻尼現(xiàn)象,所以很快通過塑料管。

4 實驗拓展

該實驗在原有演示實驗基礎上稍加改裝,就可以借助DIS進一步探究磁鐵穿過空心鋁管和PVC塑料管時裝置的受力情況。

4.1 實驗改裝

分別在空心鋁管和PVC塑料管一端安裝塑料繩環(huán),用細線固定平穩(wěn),自由懸掛在力傳感器上。

4.2 實驗過程

(1)如圖2(a)所示,把PVC 塑料管一端懸掛在力傳感器上,穩(wěn)定后讀數(shù)窗口顯示鋁管的自重大小為0.67N,采集F－t數(shù)據(jù)圖線為平行于t軸的直線。

(2)讓強磁鐵從管口自由落下,磁鐵穿過塑料管過程中,F－t圖線未發(fā)生變化,如圖2(b)所示。由F－t圖像可以看出,強磁鐵下落過程中與塑料管之間沒有相互作用力。

圖2 實驗過程

(3)如圖2(c)所示,把鋁管一端懸掛在力傳感器上,穩(wěn)定后讀數(shù),此時讀數(shù)窗口顯示鋁管的自重大小為1.2N,采集F－t數(shù)據(jù)圖線為平行于t軸的直線。

(4)讓強磁鐵從管口自由落下,磁鐵穿過鋁管過程中,F－t圖線立刻發(fā)生變化,如圖2(d)所示。圖線進一步說明,在強磁體進入鋁管做自由下落運動的過程中,穿過閉合鋁環(huán)回路的磁通量發(fā)生變化,鋁管上產(chǎn)生感應電流的磁場將對下落的強磁體產(chǎn)生阻力的作用。根據(jù)力的相互作用,強磁鐵對鋁管有向下的力,所以圖像示數(shù)變大,大約為1.85N。

5 注意事項

(1)本實驗成功的關鍵是一方面要選購足夠強的磁體(網(wǎng)購銣鐵硼強圓柱體磁鐵),用一般磁體實驗現(xiàn)象不明顯,無法清楚地區(qū)分彼此下落的快慢。另一方面兩管的長度稍微加長(教材中指出1m 左右為宜),實驗現(xiàn)象會更明顯。

(2)在實驗拓展中,待鋁管和塑料管靜止后,方可讓強磁鐵從管上口自由下落,并采集實驗數(shù)據(jù),這樣獲取的F－t實驗圖線更規(guī)范、精確。

(3)強磁鐵下落過程中與管壁有少許摩擦,盡可能讓磁鐵從管口中央自由下落,可以減小實驗誤差。當然,磁鐵與鋁管內(nèi)壁有摩擦,更可以說明是磁鐵的磁場與鋁管中產(chǎn)生感應電流磁場相互作用的結果。

6 結語

本文介紹的電磁阻尼演示實驗具有表演性和趣味性,拓展實驗更具有探究性。通過現(xiàn)象觀察和定量探究引發(fā)學生認知沖突,使平淡無奇的物理課堂“活”起來,增添了物理教學的科學性和趣味性。同時,借助DIS進一步對電磁阻尼現(xiàn)象探究,對激發(fā)學生學習興趣具有積極的促進作用,有助于學生主動建構知識,也有助于學生科學態(tài)度和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。