一款涡流电磁阻尼演示仪的自制与创新

2019-12-20 09:12:20 中学物理·高中 2019年11期

摘?要:对传统涡流电磁阻尼演示实验的改进,将传统的双管对比实验改为斜面实验,并将磁铁与发光二极管组合在一起,可以直观地观察到磁铁的运动情况,让学生体验磁铁在金属管中下落会受到阻力.实验装置取材容易、结构简单、易于操作、性能稳定,便于教师自制推广.

关键词:自制教具;涡流;电磁阻尼

文章编号:1008-4134(2019)21-0048?中图分类号:G633.7?文献标识码:B

作者简介:徐婷婷(1991-),女,浙江台州人,本科,中学二级教师,研究方向:中学物理学科教学.

在中学物理教学中演示电磁阻尼和涡流的实验装置有很多种,其中有双管对比实验:通过演示磁铁在塑料管与金属管中的下落情况,让学生知道磁铁在金属管中下落会受到阻力.但是,由于金属管和塑料管材质不同,而且金属管不透明,学生很难想象磁铁在金属管中到底是如何运动的[1].

为了解决传统实验存在的各种局限性问题,笔者对传统双管实验进行了改进.改进后的涡流电磁阻尼演示仪,可以让学生直接观察到磁铁的大致运动情况.另外该实验装置取材容易、结构简单、易于操作、性能稳定、现象直观,且安全可靠,便于教师自制推广.

1?实验装置构成与设计

1.1?实验原理

如图1所示,钕磁铁沿金属板构成的斜面向下滑动,使周围的磁场分布发生变化.根据法拉第电磁感应定律,块状的金属置于变化的磁场中,金属导体内就会产生感应电流,该电流流线在金属导体内呈闭合回路,类似水的漩涡形状,故称之为涡流.涡流又会产生磁场阻碍磁铁的运动,这种现象称为电磁阻尼.

1.2?实验材料

支架、30cm×9cm铜板、铝板、塑料板(其中厚度为1mm的铜板、铝板、塑料板各一块,另有一块厚度为2mm的铜板)、白纸、直尺、圆柱形钕磁铁、纽扣电池、发光二极管.

1.3?装置组装

如图2所示,在磁铁上固定纽扣电池和发光二极管,增强视觉效果.通过小塑料薄片插在纽扣电池和发光二极管的引脚之间来控制电路的通断.实验时,将塑料薄片取出,发光二极管即可发光.

如图3所示,为了排除由于板表面粗糙程度不同对实验结果造成的影响,在每块板表面覆上一层材质相同的白纸.将不同材质的板并排斜靠在木质支架上,构成倾角大小相同的斜面.将两块钕磁铁放置在两块板上的同一高度,用直尺挡住阻挡其下滑,如图4所示.开始实验时,拿开直尺,两块钕磁铁同时开始运动,观察比较两块钕磁铁下滑的快慢,从而判断电磁阻尼的有无及效果的强弱.

1.4?实验现象

1.4.1?对比塑料板和铜板

取厚度相同的塑料板和铜板进行實验,可以明显观察到磁铁在塑料板上运动较快,在铜板上运动较慢,如图5(a)所示.这个实验现象可以证明电磁阻尼作用的存在,也可以证明在金属导体中能够形成涡流,从而对磁铁产生阻碍作用,而在绝缘体中不会存在这种现象.

1.4.2?对比铝板和铜板

取厚度相同的铝板和铜板进行实验,可以观察到磁铁在铝板上运动较快,在铜板上运动较慢,如图5(b)所示.这个实验现象可以说明涡流的大小与金属的材料有关,铜板和铝板由于电阻率不同产生涡流的大小不同,因此产生电磁阻力的大小也会不同.

1.4.3?对比不同厚度的铜板

取厚度不同的铜板进行实验,可以观察到磁铁在薄铜板上运动较快,在厚铜板上运动较慢,如图5(c)所示.该实验现象可以说明涡流的大小与金属材料的厚度有关.

2?教学效果

本教具主要应用在人教版高中物理选修3-2第四章第七节涡流、电磁阻尼、电磁驱动中,在实际教学的应用中有以下特点:

2.1?科学性

教具演示的实验内容符合科学原理,体现科学知识和科学过程相统一的原则,磁铁从金属板和塑料板上下滑的快慢形成鲜明对比,说明电磁阻尼是存在的,帮助学生形象地理解电磁阻尼以及电磁感应现象.此外对比磁铁在不同电阻率和不同厚度的金属上的运动快慢,可以直观地展示影响涡流大小的因素.

2.2?创新性

教具设计新颖,构思巧妙,将原本不能用眼睛直接观察到的涡流现象通过物体运动的快慢直观地体现出来,而且实验现象对比十分明显,非常具有说服力.

2.3?启发性

本教具体现的实验现象能够引发学生的学习兴趣和思考,适于探究式教学,有利于学生主动参与、互动、合作交流.

2.4?实用性

本教具制作材料简单,组装方便,易于操作,成功率高,安全可靠,造价低廉,便于自制推广,可用于教师课堂演示和学生分组实验.

参考文献:

[1] 潘天文,肖禹,吕华平.楞次定律双管对比实验的改进[J] .物理教学探讨,2018 (9):49-51.

(收稿日期:2019-08-08)

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