自制教具探究“产生感应电流的条件”

李 韵

(深圳市高级中学，广东 深圳 518000)

“产生感应电流的条件”选自粤教版高中物理选修3-2,是第1章“电磁感应”的重要内容,本节是学习电磁感应现象和楞次定律的基础,无论从知识结构而言,还是从培养物理学科素养而言,本节内容都值得教育研究者反复研究,精心设计．

已有许多优秀物理教师就此章节的教学逻辑和教具设计,实验创新等方面都做过许多研究,其中几乎所有教师都是利用条形磁铁与通电螺线管实现磁通量的变化,进而探究感应电流的产生,作为核心的探究实验．在此,笔者对核心实验进行了新的设计及改进,望能提供参考．

1 学生学习情况分析

学生在初中就接触过磁能生电的知识,但当时的学习并不深入,让学生有一个错误的认识:闭合回路必需切割磁感线才能产生感应电流．为了推翻学生错误的认知,建立新的知识体系,需要一个逻辑严密又有说服力的实验过程．

在常规教学中,为推翻上述错误认知,需要利用通电螺线管进行实验．如图1所示连接电路,在接通开关瞬间,或者断开开关瞬间,灵敏电流指针发生偏转,说明即使不切割磁感线也能产生感应电流．通过现象,让学生产生认知冲突,从而推翻错误的前概念．

图1

而后需要向学生展示当磁感应强度不变时,闭合回路的正对面积改变可以产生感应电流; 当闭合回路正对面积不变时,改变磁感应强度的大小也能产生感应电流．从传统实验的逻辑只能得出,感应电流的产生与磁感应强度的变化和回路面积的变化都有关系,而不能严谨得出感应电流的产生与磁通量的变化有关．本节的知识点比较抽象,让学生从磁感应强度和回路面积联想到磁通量就很不容易了,加上实验逻辑的漏洞,导致说服力不足,学生理解起来就难上加难了．

2 实验器材的设计与改进

鉴于以上理由,有必要对教材的教学编排稍加修改并深化．为了更有利于学生的实验探究,笔者制作了以下实验器材．

器材1:自制大型螺线管.

图2

如图2,用直径为0.67 mm的漆包线,绕在直径约为150 mm透明管中,制作成一个大的螺线管,成品如图2所示，每一捆漆包线线圈50匝,共8捆．利用透明管来制作主体部分是为了让学生能更好地观察小线圈在管中的运动．小线圈可以利用实验室常用的线圈加工即可(如图2大螺线管下的便是小线圈)．为实验方便，大螺线管的直径需要略大于小线圈对角线．美观起见,旁边还制作了两个接线柱,而底座支架由纤维玻璃制成．通电后,根据通电螺线管产生的磁场分布情况,螺线管的两端产生了非匀强磁场,在螺线管中部产生了一片近似的匀强磁场．自制螺线管,线圈,学生电源(直流电12 V至14 V),开关,及滑线变阻器(500 Ω),按照图1连接电路,组成了第1组实验仪器．

器材2:磁感线模具.

为探究“在磁感应强度和闭合回路正对面积都变化,而磁通量不变时,能否产生感应电流?”翻阅了一些文献,以及网络搜索发现,杭州市长河高级中学的韩丹老师在公开课中和江苏的谭庆仁老师在文章都使用了同样的一个实验仪器．可以利用一个与磁感线重合的模具来探究上述问题①．笔者稍作修改,制作了一套实验仪器,如图3所示．

图3

先将强磁铁固定于泡沫板,撒上铁粉,轻轻抖动泡沫板,铁粉会反应出该强磁铁的磁场分布．利用透明玻璃绘制磁感线,根据磁感线,旋转360°可确定模具外形．在实验中需要线圈沿着模具外壁滑下大小可以伸缩,由此要求线圈较为柔软,利用下滑过程撑开橡皮来改变闭合回路正对面积的大小．

许多文献中都提到,漆包线套在橡皮筋上可以制作可伸缩的线圈,经过多次实验,橡皮圈线圈在匝数上达不到实验要求,而且橡皮在实验过程中容易断裂．实验室的条形磁铁产生磁场也不能满足实验的要求．在制作次模具时,建议使用工业上的强磁铁,强磁铁产生的磁感应强度较大,对线圈匝数的要求就相应变小了．在制作线圈(约50匝)时,需要用柔软的漆包线,可以用绝缘胶带故固定漆包线,实验过程中用手控制闭合回路的正对面积为佳．

将模具加上底座,线圈连接灵敏电流计,便可组装成如图4所示的第2组实验仪器．

图4

3 教学过程中实验仪器的应用

利用上述仪器,教师可围绕本节提出4个核心问题.

问题1:是否切割了磁感线就一定会产生感应电流?

图5

使用第1组实验仪器,连接电路,接通开关,如图5所示,学生可以将线圈从上面的小孔放入通电螺线管的匀强磁场区域,在螺线管中匀强磁场的区域内上下移动．此时闭合线圈在匀强磁场中,切割了磁感线,但灵

敏电流计指针没有偏转,没有感应电流产生,说明切割了磁感线,不一定会产生感应电流,由此使学生产生了认知冲突,推翻了初中课本中的说法．

问题2:不切割磁感线能产生感应电流么?

使用第1组实验仪器,如图5所示,将线圈放入通电螺线管中,保持静止,迅速改变滑动变阻器的阻值,使得管内的磁感应强度发生明显变化,可以观察到灵敏电流计的指针发生偏转,产生了感应电流．进一步说明,即使不切割磁感线也可以产生感应电流,同时也可得出,感应电流的产生和磁感应强度的变化有关．

问题3:感应电流的产生与什么因素有关?

将线圈放入自制通电螺线管中,在保持磁感应强度不变的前提下,可以转动线圈,改变闭合回路的正对面积,可观察到灵敏电流计指针偏转,产生了感应电流．结合问题2的结论可得,感应电流的产生与磁感强度变化和闭合回路正对面积的变化有关．

此处教材的处理是,由磁感应强度和闭合回路正对面积的变化合理联想到与磁通量的变化有关,便得出产生感应的电流的根本条件．从逻辑而言,这个推理和联想要被佐证,而不能由联想得出结论．所以还需要一个更有说服力的实验,验证在磁感应强度和闭合回路正对面积都发生变化,而磁通量不变的情况下,没有感应电流产生．如此才能合情合理地得出结论．

问题4:在磁感应强度和闭合回路正对面积都变化,而磁通量不变时,能否产生感应电流?

使用第2组实验仪器,实验过程中,只要可伸缩线圈沿模具外壁下滑,下滑过程中磁感应强度变小了,闭合线圈的正对面积变大了,但是通过闭合回路的磁感线条数没有变,

即磁通量没有变,可以观察到没有感应电流产生,说明只要磁通量没有变化,则不会产生感应电流．

文献[1]中提及,将线圈“慢慢”下滑,笔者认为稍有不妥．慢慢下滑过程,磁通变化率很小,即使产生了感应电流,电流也很小,故现象不明显,不能说明问题．应是将线圈迅速下滑,实验结论更有说服力．

通过以上4个核心问题,经过严谨的实验过程和严密的逻辑推理,最终引导学生得出一个可靠的实验结论:“闭合回路的磁通量发生改变,才能产生感应电流”．也正是通过这样的教学过程,让学生感受物理结论的得出并不是一蹴而就的,而是需要通过反复的实验,反复的推敲,不断提出问题、解决问题,才能更接近真理．

参考文献：

1 谭庆仁.探究教学应突出思维认同[J].物理教学，2015,37(12)： 31-33.

2 陈怡佳. 电磁感应现象的实验探究[J]. 物理教学,2010,32(6)： 24-25.

3 陆光华.感应电流产生的条件教学设计与反思[J].物理教师,2015,36(12)： 18-20.