磁场对通电导线作用力的趣味实验

肖穹桥 谢宝增

摘 要：电与磁在生活中有广泛应用，相关命题在高考中“出镜率”较高。笔者应用安培力等电磁规律自制旋转的线圈、电池，神奇的纸喇叭、纸话筒和电磁弹射装置。通过视听体验，直观呈现物理的科学性、趣味性、实用性，并且关注物理前沿，培养了学生的物理核心素养。

关键词：旋转的线圈；电池；神奇的纸喇叭；纸话筒；电磁弹射

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）3-0053-3

在我们学习了安培力规律之后，为了加深对所学知识的理解，笔者带领兴趣小组设计了三个在生活、科技中应用安培力的趣味实验，寓教于乐。

趣味实验1：旋转的线圈、旋转的电池

仪器： 5号电池1节，圆柱形强磁铁若干，直径2 mm的铜线，螺丝钉，饮料瓶支架。

（1）仪器设计、组装：

先用美工刀切割营养快线瓶上部分，做一个半开口的简易支架。再用螺丝钉穿透塑料瓶盖，上方用磁铁吸住螺丝钉的大头，然后用螺丝钉的尖端，吸住负极吸有磁铁的5号电池的正极，最后用导线连接上下磁铁构成回路（注意上下方磁铁极性，避免电池脱落）。可见，借助磁铁能使南孚电池自动旋转飞舞，又快又炫。（图1右）

（2）原理：利用强磁铁的磁性和导电性，借助心形铜线构成一个闭合回路，通电导线在磁场中受安培力旋转（图1左）。同理，可以手持铜线不动，使磁铁带动电池旋转（如图1右）。

趣味实验2：神奇的纸喇叭、纸话筒

仪器：A4纸，铜线（细漆包线），强磁铁，旧音箱功放模块（拆除内置重低音喇叭），手机音乐，玩具小马达，导线，鳄鱼夹等。

（1）纸喇叭的制作：先在一张A4纸上打印一个喇叭，然后在背面，绕半径不同的数十匝细铜线，铜线总电阻6 Ω左右（可用双面胶固定铜线）。铜线两端引出一对鳄鱼夹，方便输入音频信号，最后用透明胶带密封。

（2）纸喇叭原理：手机音乐等交流音频信号经过旧音箱功放模块放大电流后输出到纸喇叭，线圈在磁场中受大小、方向都变化的安培力，于是线圈带动纸张有规律地振动，发出与原音频信号波形相同的声音。

（3）仪器组装、演示：

①A4纸喇叭：如图2，先拆开旧音箱，切断它自带的重低音喇叭，仅利用其功放模块对电流进行放大。首先手机音乐通过音频线输入旧音箱，交流音频信号经过放大后，再由另一根音频线输出到纸喇叭。一个强磁铁，当身体靠近纸喇叭的时候，请仔细听，有声音了。远离的时候没声音，靠近的时候有声音。一张纸怎么能唱出歌来呢？它的秘密在哪里呢？它的秘密原来就是因为在纸背面绕了一些线圈（图4）。

②用玩具小马达自制喇叭：领略了物理的奇妙，知道喇叭其实非常简单，就是线圈和磁铁的组合。同学们迫不及待，合作探究制作了一个外形奇特的喇叭（图3）。原来马达里面也有线圈和磁铁。手机音乐先经过音箱放大电流，再输入音频接口，音频接口用导线连接玩具小马达内部的线圈两端构成回路。为了增强效果，可把一次性纸杯和电机驱动轴用热熔胶连接成一体，构建一个共鸣箱。

③纸喇叭VS纸话筒：强调喇叭的工作原理是电生磁，而不是磁生电，学生很容易混淆。因此，笔者设计了一个对比实验，将A4纸喇叭连接小蜜蜂MIC接口，如图4。对着纸喇叭中的线圈吹风，小蜜蜂发出呼呼声。为了获得良好的视听体验，可以打开手机音乐，使手机贴近喇叭，我们发现小蜜蜂立刻“嗨”起来了，可见小喇叭华丽变身话筒了。

纸话筒原理：声音使线圈振动，于是线圈在磁场中切割磁感线，在线圈和小蜜蜂构成的闭合回路中产生感应电流，并经过小蜜蜂放大让人听见。

趣味實验3：电磁弹射实验

仪器：铝环火箭，450 V、680 μF的电容器2个，1 000 V、2 A的整流二极管2个，220 V、60 W的白炽灯、灯座各一只，双刀双位开关，J2423R可拆变压器铁芯，自绕铜线圈（2 mm漆包线，匝数360）。

（1）仪器设计

本实验是模拟美国“福特”号核动力航母首次搭载电磁弹射。

①铝环火箭的制作

取一只600 mL的百事可乐瓶，用美工刀裁掉瓶底部分，将瓶身竖放在铝环上面，并用红色硬纸板卷成环形把铝环和瓶身包围，然后用透明胶带将铝环和可乐瓶粘成一体。为使火箭显得科学、美观、实用，瓶口用红色玩具交通锥罩住制作整流罩并用热熔胶固定，瓶身粘贴五星红旗。（如图5中的A）

②电源发生器制作

按图6中的电路所示，将二极管、电容元件焊接在电路板上，用导线连接好双刀双位开关，并通过绝缘糖果盒把电路防护起来。最后引出电源插头和向外放电的连接线和外置电灯，实物如图5中的C。

（2）原理

如图6中的开关S扳向左边，220 V市电经倍压整流向电容器充电，输出电压高达622 V。开关S扳向右边，电容器向线圈放电，线圈中的大电流使铝环内磁通量激增，铝环内产生感应电流，铝环火箭在磁场中受到远大于自身重力的安培力，一飞冲天（如图7所示）。

（3）操作说明

①仪器组装：如图5中的B所示，把J2423R可拆变压器的横轭铁芯竖直放在自制的360匝的线圈上方，使横轭铁芯与线圈内的铁芯对接，铝环火箭竖直套在铁芯上，将带鳄鱼夹的放电导线连接在线圈两端。

②火箭试射：插头接220 V交流电，把开关S扳向充电端，电灯由亮变暗显示正在对电容器充电，电灯熄灭，显示充电结束。把开关S扳向放电端，电容器对线圈放电。放电瞬间，可见铝环火箭“啪”地向上射出约3 m高，赢得学生阵阵掌声。

（4）注意事项

①电源发生器安全：选塑料糖果盒，充当绝缘防护外壳。

②科学：充电线路串联一个220 V、60 W的白炽灯，它相当于大功率纯电阻可以限流保护电路，又能直观显示充电过程。白炽灯，自身功率大，不易被烧坏，电源装置更耐用。

③方便：体积小，便于携带和现场展示。

通过探索与实践，学生体验到物理方程以外的美，激发了学生对物理科学的浓厚兴趣，提升了学生的科学思维，培养创新和科学探究与交流的能力，最终为培养学生的终身学习能力打开了一扇窗。

参考文献：

[1]朱向阳，施国富.磁炮式跳环实验[J].教学仪器与实验，2010（11）：29.