一种新型楞次定律演示装置

彭玉峰 闫慧娟 张计才 秦朝朝

【摘要】本新型楞次定律演示装置可以直观地验证多个经典的电磁理论定律，适合探究式实验教学，符合现代教育中所提倡的提高动手能力、观察能力和分析问题能力的教学理念。

【关键词】楞次定律 演示装置 磁场

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）48-0222-02

物理实验在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。物理课程中“楞次定律”的实验是一个非常核心的实验[1]，在国内外一直都是热点之一[2-6]。楞次定律是德国物理学家海因里希·楞次1834年发表的，可表述为：闭合导线回路中出现的感应电流，总是阻碍产生感应电流的原因。

目前，关于楞次定律的演示实验，传统的做法是：矩形线圈分别竖直和水平通过具有稳恒电流的长直导线所在的竖直平面内，分析线圈中感应电流的变化；条形磁铁在向通电螺线管匀速靠近或远离的过程中，闭合回路电流的变化；套有轻质铝环的软铁棒插入螺线管内，并给螺线管通断电流，观察轻质铝环的运行情况。由此可见，课堂演示形式较为单一，难以适应新时期素质教育的要求。

本实验装置不仅便于学生动手操作，非常直接的观察到有关实验现象，而且能够直观的验证多个经典物理理论定律，非常适合探究式实验，符合现代教育中所提倡的提高动手能力、观察能力和分析问题能力的教学理念。

一、演示装置介绍

多功能楞次定律实验装置如图1-4所示。该装置包括水平箱体和设置于水平箱体中部的竖直箱体，竖直箱体的一侧设有显示器、第一开关、第二开关、第一接线柱、第二接线柱、电源接口和通过丝线悬挂的金属环，竖直箱体的内部设有变压器、二极管和电容器，同侧的水平箱体上设有第一金属棒，该第一金属棒设置于金属环的一侧且在第一金属棒上缠绕有第一线圈，第一线圈的输出端和输入端分别与第一接线柱和第二接线柱电性连接，第一接线柱通过第二开关分别与电容器一侧的电极和变压器一侧的输出端电性连接，第二接线柱与电容器另一侧的电极电性连接，变压器另一侧的输出端依次通过第一开关和二极管与电容器另一侧的电极电性连接，变压器的输入端与电源接口电性连接，电源接口与市电电性连接，显示器并联于电容器的两侧；竖直箱体的另一侧设有红色LED灯、绿色LED灯、第三接线柱和第四接线柱，竖直箱体的内部设有第一三极管、第一电源、第二三极管和第二电源，同侧的水平箱体上设有水平轨道、与水平轨道滑动配合的移动小车和固定于水平轨道上的固定小车，移动小车上设有磁条，固定小车上设有第二金属棒、供电装置、第三开关、第五接线柱和第六接线柱，其中第二金属棒上缠绕有第二线圈，该第二线圈的输出端和输入端分别与第三接线柱和第四接线柱电性连接或者分别与第五接线柱和第六接线柱电性连接，第三接线柱与第一三极管的B基极电性连接，第一三极管的C集电极依次与红色LED灯和第一电源负极电性连接，第一电源正极分别与第四接线柱和第一三极管的E发射极电性连接，并且第三接线柱分别与第二三极管的E发射极和第二电源的正极电性连接，第二三极管的B基极与第四接线柱电性连接，第二三极管的C集电极依次与绿色LED灯和第二电源的负极电性连接，第五接线柱依次与供电装置和第三开关串联后与第六接线柱电性连接。

二、演示装置操作说明

（一）验证楞次定律

将第一线圈的输出端和输入端分别与第一接线柱和第二接线柱连接，并且将电源接口与市电接通，闭合第一开关给电容器充电，观察与电容器并联的显示器示数至不再变化，断开第一开关，闭合第二开关，电容器放电，第一线圈瞬时产生大电流，其内部产生瞬时磁场，通过丝线悬挂于竖直箱体上的金属环此时就会产生与第一线圈内磁场方向相反的磁场，这两个相反的磁场就会产生电磁斥力，可以将金属环弹出一定的距離，从而验证楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，同时由第一线圈产生的磁场可以验证电向磁的转换。

（二）探究不同介质对磁场的影响

将第二线圈的输出端和输入端分别与第五接线柱和第六接线柱连接，闭合第三开关，观察移动小车的运行情况从而判断此时第二线圈的磁感线方向，结合移动小车上磁条的磁极方向，验证安培定则。另外更换不同材质的第二金属棒，重复上述操作，然后结合移动小车的运行情况探究不同介质对磁场大小的影响。

（三）验证磁向电的转化

将第二线圈的输出端和输入端分别与第三接线柱和第四接线柱连接，断开第三开关，移动小车向固定小车靠近或远离的过程观察红色LED灯和绿色LED灯的发光情况，从而可以获知第二线圈中的电流方向，结合安培定则即可验证楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，同时由第二线圈中产生瞬时电流验证磁向电的转化。

三、演示装置使用前景

本演示装置不仅可以在大学物理实验室进行复杂的研究性实验，还可以进一步推广到中学物理实验室开展演示实验，此外，还可以在社会上进行电磁学有关知识的普及教育工作，对提高国民整体科学素养有着重要的作用。

参考文献：

[1]《普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1》，人民教育出版社，2014

[2]Roy M K， Harbola， Manoj K.， Verma， H.-C.， Demonstration of Lenzs law： Analysis of a magnet falling through a conducting tube. Amer. J. Phys.2007（8）：728-730

[3]Guerlin C； Delva P； Wolf P. Some fundamental physics experiments using atomic clocks and sensors. Com. Ren. Phys. 2015（5）：565-575

[4]张强，黄凯特.超导楞次定律实验装置[J].物理实验， 2014（10）：12-14

[5]杨春叶，刘贵兴.利用磁钢与铝质硬币演示楞次定律 [J].物理实验，2008（10）：20-22

[6]韩静波.简易楞次定律演示仪的改进[J].物理实验，2008（9）：23-25.

致谢：本工作受到河南省教师教育课程改革研究项目计划支持（项目号：2016-JSJYYB-019）。