自制DIS传感器的多功能电磁感应教具

贾剑　俞根强

摘 要：利用DIS传感器、自制螺线管、强磁铁和有机玻璃管等器材，可实现探究感应电流的产生条件、楞次定律演示实验、法拉第电磁感应定律实验和电磁阻尼现象实验.

关键词：电磁感应;自制教具;实验改进;DIS传感器

中图分类号：G633.7 文献标識码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0059-03

作者简介：贾剑（1987-），男，浙江湖州人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理课堂教学和深度学习;

俞根强（1980-），男，浙江湖州人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理自制教具.

1 问题提出

楞次定律和法拉第电磁感应定律是电磁学中的重要规律，也是学生学习电磁感应现象的重点和难点.教材关于两者的教学均采用学生最熟悉的情境——在演示螺线管中磁铁插入或拔出，缺乏创新性，无法充分调动学生学习的积极性.教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》中强调：在教学设计和教学实施过程中要重视情境的创设[1].因此，一线教师应利用自制教具创设情境进行教学，有利于激发学生的求知欲[2]，有助于培养学生的科学探究精神[3].

2 实验装置

教具器材包括图1中的有机玻璃管1根（长100cm，内径25mm，外径30mm）①，圆柱形强磁铁3个（高3cm，直径21mm）②，铜漆包线绕制的螺线管3个（匝数为1200匝）③，额定电压为6V的LED贴片红色、蓝色各1根④，DIS电压传感器和数据采集器⑤以及导线若干⑥.

教具制作步骤：将有机玻璃管插入3个螺线管，并将3个螺线管按上、中、下3个位置放置.由于有机玻璃管的外径和螺线管的内径比较接近，可利用有机玻璃管外壁和螺线管内壁之间的摩擦力将3个螺线管固定在有机玻璃管上，并且非常容易更换螺线管.上、中、下螺线管距上管口的距离分别为10cm、40cm和90cm.将红色LED灯贴片粘在有机玻璃上半段，与最上面的螺线管串联.将蓝色LED灯贴片粘在有机玻璃下半段，与最下面的螺线管相连.实验装置如图2所示.

3 教具用途

3.1 引入探究感应电流产生条件的新课

如图3所示，竖直放置有机玻璃管，将强磁铁从上端自由释放，在有机玻璃管中做自由落体运动依次经过3个螺线管，与最下端螺线管串联的LED灯发出绚丽的光芒.因LED灯的额定电压为6V，强磁铁下落距离过短致使最上端螺线管中的电压不足以让与之串联的LED灯发光，而最下端的螺线管则能提供足够的电压使与之相连的LED灯发光.将有机玻璃管倒过来，再次将强磁铁自由释放，同样观察到与最下端串联的LED灯发光.通过创设真实情境，利用新颖的自制教具让学生观察到明显的实验现象，激发学生的求知欲，引导学生深度学习，为学生进一步探究感应电流产生的条件做好铺垫.

3.2 完成楞次定律演示实验

螺线管中电压随时间的变化情况如图4所示.竖直放置有机玻璃管并将强磁铁N极向下自由释放.强磁铁自由下落经过螺线管中部产生感应电流，利用电压传感器在电脑端记录得到如图5所示的图像.根据U-t图像中图线所处象限得出强磁铁N极靠近、S极远离螺线管时DIS传感器中电流流向，结合螺线管上标出漆包线的绕线方向得出螺线管中感应电流方向.再次将强磁铁S极向下自由释放，得出强磁铁S极靠近、N极远离螺线管时螺线管中感应电流方向.结合表1的实验数据探究得到楞次定律.

3.3 探究法拉第电磁感应定律实验

3.3.1 保持匝数n和磁通量变化量ΔΦ不变，定量探究E与Δt的关系

将分别放置在有机玻璃管上、中和下三处且相同规格的螺线管（匝数相同）与LED灯断开后，如图6所示，分3次将DIS电压传感器与3个螺线管串联.竖直放置有机玻璃管，分3次将强磁铁从上面自由释放，得到如图7所示的U-t图像，并在相应区间内取感应电动势峰值.由于穿过螺线管时强磁铁下落高度之比为h1∶h2∶h3=1∶4∶9，根据自由落体运动规律v=2gh，可知经过螺线管时强磁铁的瞬时速度之比为v1∶v2∶v3=1∶2∶3.在经过螺线管时位移相同，强磁铁所需时间之比为t1∶t2∶t3=xv1∶xv2∶xv3=11∶12∶13.由图可知，感应电动势峰值之比E1∶E2∶E3=1∶2∶3.保持匝数n和磁通量变化量ΔΦ不变，在强磁铁经过螺线管时产生的感应电动势E与Δt成反比.

3.3.2 保持磁通量变化量ΔΦ和Δt不变，定量探究E与匝数n的关系

如图8所示，取匝数分别为1200匝、1000匝和800匝的3个螺线管，分3次固定在有机玻璃管下端同一位置.让同一强磁铁在有机玻璃管上端同一高度自由下落，从DIS数据采集器的电脑端得到U-t图像.由图9可知，在保持磁通量变化量ΔΦ和Δt不变的前提下，感应电动势E与螺线管匝数n成正比.

3.3.3 保持匝数n和Δt不变，探究E与磁通量变化量ΔΦ的关系

强磁铁的叠加会引起产生的磁感应强度增加，但无法满足正比关系，因此本实验不能定量探究.如图10所示将下端螺线管与LED灯断开后，串联DIS传感器.让一个磁铁自由下落通过竖直放置的有机玻璃管的下端螺线管，得到U-t图像.第2次、第3次分别将2个和3个强磁铁以叠加的方式同样自由下落经过下端螺线管，得到U-t图像.强磁铁叠加之后，强磁铁产生的磁感应强度B会增大，穿过同一个螺线管时磁通量变化量ΔΦ会增大，即可完成保持匝数n和Δt不变，探究E与ΔΦ的关系.由图11可知，磁通量变化量ΔΦ越大，同一螺线管产生的感应电动势E越大.

3.4解释电磁阻尼现象

如图12所示，将固定于有机玻璃管下端的螺线管与DIS传感器串联，在上端管口静止释放强磁铁，记录得到U-t图像.再用导线连接放置于有机玻璃管中部的螺线管接线柱，使其形成回路.再次，同一高度静止释放强磁铁，强磁铁依次通过中端、下端螺线管，利用数据采集器得到U-t图像.通过图13对比图发现，第2次实验时位于下端的螺线管中感应电动势的峰值与第1次实验时感应电动势的峰值相比有所减小，经过多次对照实验依旧如此.产生这个现象的原因为第2次实验时强磁铁经过位于中部的螺线管时，螺线管产生的感应电流致使强磁铁受到阻碍其下落的磁场力，导致强磁铁落到位于下端的螺线管时的速度比第1次实验时经过下端螺线管的速度略小，即经过下端螺线管的Δt增大.在保持匝数n和磁通量变化量ΔΦ不变下，Δt增大，感应电动势E减小.此实验恰好解释了电磁阻尼现象.

4 结束语

本教具的特点：一是设计巧妙，趣味性强，利用LED灯光容易吸引学生眼球，调动学生的学习积极性，为教学做好铺垫;二是利用有机玻璃管可让强磁铁在较高高度做自由落体运动而不偏出螺线管内部，同时实现下落高度的定量实验，使定量探究成为可能;三是教具实验现象明显，原理简单，利用DIS传感器让数据记录变得实时、准确和便捷;四是一物多用，可做不同的定性或定量实验，发挥了教具的最大作用;五是教具制作取材方便，制作简单，成本低廉，适合演示或分组实验.本教具获得湖州市物理教师自制教具一等奖.教具的不足之处是利用强磁铁产生磁场，无法通过叠加磁铁以此实现磁感应强度的正比例增加，也是下一步需要思考和改进之处.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]苏缦，熊建文.自制楞次定律方向指示仪[J].物理通报，2017（11）：86-87+91.

[3]罗慧.定量探究“法拉第电磁感应定律”实验的改进[J].物理教师，2018，39（10）：59-61.

（收稿日期：2021-01-22）