关于高中物理电磁学演示实验的改进

刘 航

（郑州外国语新枫杨学校，郑州 450002）

高中物理学的学习除掌握基本理论知识以外，还包括大量的实验课程，实现内容以理论知识的检验为主要目的。其中，相关电磁学部分知识在学习过程中具有一定的抽象性，为此，则需要通过实验的方法对其进行深入了解，基于传统电磁学演示实验方面存在的诸多问题，可以对其进行创新，以发挥电磁学演示实验的最佳效果，提高我们高中生对电磁学基础理论知识的掌握能力。

1 高中物理电磁学演示实验的意义

在物理学习过程中，各种类型的演示实验让我们更加深入的了解到了物理知识在生活中的应用，直至今日，即便是计算机模拟物理实验软件已经普及，但是，相比较来说，基于现实操作的物理实验效果并不能够因此被取代，尤其是对于理论知识较为复杂、抽象的电磁学来说，通过演示实验的方式，能够是我们更加形象的了解电磁学的概念与作用规律，同时养成良好的物理现象观察能力与分析能力。

通过物理电磁学演示实验，我们的动手能力得到加强，并能够根据自身所掌握的电磁学知识，在传统电磁学演示实验的基础上进行改进，进而具备一定的电磁学实验创新能力。

2 静力场中带电体的受力实验

按照物理课程的安排，静力场中带电体的受力实验需要电源、U型磁铁、光滑导轨、开关、导线等相关实验器材，实验效果图如下所示：

图1 静力场中带电体的受力实验

为能够实现该演示实验内容的丰富，利用已经学到的电磁学相关知识，可以对其进行一系列的改进。首先，由图1可知，U型磁铁所产生的磁场是在各个位置方向、大小稳定的静力场，根据电磁感应原理，该静力场可以由交流线圈产生，具体如图2所示。蹄形磁铁周围的电磁场分布并不十分均匀，我们在高中学习中将N极与S极之间的电磁线进行了理想化处理，从而在理论上认为通电导体位于自上而下（自下而上）的均匀垂直电磁线矩阵中，但这样会使实验结论大打折扣。因此将U型磁铁替换成筒状的电生磁结构，能够减少非均匀、不垂直电磁线对通电导体运动的影响。

图2 改进后演示实验模型

另外，利用非固定产磁物质进行磁场模拟，可以利用电流表对通电磁场的强弱进行调节。根据F=BIL可知，当通电导体周围磁场强度B出现变化时，其运动速度将出现明显变化。借此实现通电导体棒在不同强度磁场中的受力偏转情况，有利于探讨由电源大小和方向改变对通电导体产生的一系列影响。

对于静力场对通电导体作用力的演示实验改进，能够将电磁感应原理的相关内容融入其中，并且，根据线圈中的电流方向的不同，确认磁场方向与通电导体电流方向之间的关系。

为确保实验安全，在设计线圈的过程中，需要用绝缘性能良好的漆包线，且通电电流应当由小变大，满足演示实验条件即可，避免电流过大击穿绝缘介质带来的危险。

3 电磁场的涡流热效应实验

在以往的电磁学演示试验中，多以变压器内部铁芯温度的变化来说明涡流热效应，然而，由于变压器本身的设计问题，其铁芯的升温并不明显，因此，基于变压器的涡流热效应实验效果较差。为解决这一问题，我们可以模拟变压器的工作原理，制作更加简易的涡流效应演示实验模型，以提高演示实验效果。

首先，在绝缘圆柱筒外侧按照一定方向紧密环绕漆包线；其次，截成相同长度的铁丝放入螺线管内，以其充当铁芯的角色；第三，将漆包线的两端与市电（220V/50Hz）相连；第四，取两杯放有冰水混合物的不锈钢杯，一杯安放在螺线管上，一杯放在螺线管旁边作为对照。

实验发现，放置于螺线管上不锈钢杯内的冰块迅速融化，并在几分钟后出开始沸腾，作为对照物的不锈钢杯中的冰水混合物却并没有发生明显变化。由此可见，在没有直接接触的情况下，利用电磁场在不锈钢杯中形成的涡流热效应对水进行加热。

然而，对于铁丝的作用，其作用是为了提高磁通量，加强对磁场的约束力，从而实现电能到热能的最大转化。为对比其效果，可以将螺线管中的铁丝抽去，在接入同样市电的情况下，不锈钢杯中的冰水混合物则需要更长的时间才能够沸腾。因此，在变压器中安放铁芯的目的也在于此，提高变压器的磁通量，以降低能量损耗。

4 发电机原理演示实验的改进

在日常生活中，为避免电力中断导致的各种问题，人们根据电磁感应原理研究出了发电机，其中，对于发电机的原理，则主要是通过演示实验进行学习的，然而，传统的发电机演示实验模型过于简单，需要借助电压表、电流表等仪器来感知微弱的电压、电流变化，缺乏更加直观的实验效果。

为此，可以在原有演示实验模型的基础上进行如下改进：

为更加直观的看到发电机的发电效果，这里在设计线圈的过程中使用了多级线圈，以增加切割磁力线过程中的电流，并将需要观察数值变化的电压表、电流表更换为更加直观的电灯泡、蜂鸣器。通过调整线圈转速、线圈级数等参数，可以通过电灯泡的亮度和蜂鸣器的响度来发现其中存在关系。

将一根闭合切割磁感线的线圈增加为两根及以上，能够使闭合电路中的“磁省电”过程更直观，但在操作中如何将两根闭合线圈的外部电路无缝对接还存在问题，诸如“两根闭合线圈间是否因空气缝隙对电流产生量造成影响？”、“闭合线圈间是否能对接完全？”等等。因此，该实验也可以在静力场中带电体的受力实验上进行改进：通过将发电机的磁场来源替换为电生磁管，一方面可以使闭合线圈所受电磁场强度能够得到定量化的控制，进而对不同电磁场强度B对磁生电的影响；另一方面，在不改变闭合线圈绕转方向的前提下，使能够随时改变磁场方向，进而可以反映出磁场方向变化对电流方向变化的影响。

图3 发电机演示实验改进示意图

5 总结

电磁学是高中物理知识体系中较为抽象的内容之一，为更好地了解电磁学理论知识，教材中列举了大量的演示实验。对于我们高中生来说，认识和掌握电磁学演示实验仅仅是基础，为加深对电磁学相关知识的理解，还需要利用已经学过的知识，创新电磁学演示实验的设计形式，使其更加直观、有效，同时提高了自身对电磁学知识体系的综合应用能力。