楞次定律教学一体化演示仪|一体化演示仪|教学|方向|楞次定律|磁场|磁通量|线圈|超导磁体

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文_康飞燕

（广西壮族自治区梧州市岑溪市第一中学）

研究目的

楞次定律是高中物理电磁感应板块的核心规律，是解析电磁感应现象、研判感应电流变化规律的重要理论依据，在发电机、变压器、电磁阻尼装置等各类电磁设备的原理设计与实际应用中发挥着关键作用。然而，在教学过程中，楞次定律原理（感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化）晦涩难懂，常规课堂缺少适配的实操教具支撑，导致学生难以厘清内在逻辑、构建具象的物理模型。为此，设计制作了楞次定律教学一体化演示仪，借助可观察、可操作、可验证的教学器材，帮助学生直观理解楞次定律，培养学生物理学科核心素养。

研究过程

发现问题

实验现象模糊

传统实验采用普通条形磁体与线圈组合进行电磁感应探究，由于产生的感应电流信号微弱，不足以驱动发光二极管发光，导致学生无法直观理解磁场变化与感应电流方向之间的对应关系。

教学模式单一

当前，楞次定律常规教学多采用教师现场演示、学生被动观摩的授课模式，缺少学生可以动手操作的实验装置，难以满足学生自主探究学习要求。

教具适配性差

传统教具功能单一，仅能简单验证实验结论，无法开展分组探究活动，难以适配不同学段、不同发展水平学生的差异化学习需求。

材料准备

材料选择遵循低成本、高性能、易获取的原则，具体内容详见表1。

制作与实验过程

教师演示装置

教师演示装置由3件独立实验子装置组成，分别为小球下落快慢比较仪、楞次定律探究仪和增缩减扩探究仪。

小球下落快慢比较仪截取长度、内径规格完全一致的透明亚克力管与铜管，管口面保持平齐，竖直固定在共用支架上（见图1）。选取2个规格相同的磁性小钢球，从2根管道顶端同一高度同时释放，对比观察小钢球的下落速度与落地时长。实验结果表明，磁性小钢球在铜管内的下落速度小于在透明亚克力管中。这是因为磁性小钢球在铜管内下落时，磁通量的变化会使管壁内产生感应涡流，感应涡流激发的感应磁场会阻碍原磁场的相对运动，产生的电磁阻尼减缓了小钢球的下落速度；而亚克力管为绝缘材质，无法产生感应涡流，小钢球仅受重力作用做自由落体运动，下落速度更快。该实验现象对比鲜明，适用于楞次定律新课导入演示实验，以激发学生的学习兴趣。

图1 小球下落快慢比较仪

楞次定律探究仪以线盘为线圈支撑骨架，在线盘外壁均匀密绕500匝直径0.5 mm漆包线制成感应线圈；线圈两端剔除导线表层绝缘漆膜，各预留10 mm裸线段作为外接引线。线圈输出端反向并联红、蓝发光二极管。感应回路串联微电流传感器，传感器经由USB接口与计算机直连，可实时采集回路电流数据、动态绘制“电流-时间”变化波形（见图2）。实验操作时，将15 mm×10 mm圆柱形强磁体的N极或S极向线圈中插入或从线圈中抽出，同步观测计算机终端显示的实时电流波形，结合发光二极管的颜色切换现象，探究感应电流方向与原磁场磁通量变化的对应规律，实验结果如表2所示。以15 mm×10 mm圆柱形强磁体的N极为例，当强磁体的N极向线圈中插入时，穿过线圈的磁通量增大，回路产生正向的感应电流，红色发光二极管被点亮；当强磁体的N极从线圈中抽出时，穿过线圈的磁通量减小，回路产生反向的感应电流，蓝色发光二极管被点亮，串联的微电流传感器采集的“电流-时间”波形随之发生正负反向。通过直观的实验现象，引导学生自主推导楞次定律。

图2 楞次定律探究仪

增缩减扩探究仪将2支铝管并排架设在平行导轨上，30 mm×30 mm圆柱形强磁体悬空置于2支铝管的正上方（见图3）。实验操作过程中，缓慢向下或向上平移强磁体使其逐步靠近或远离铝管，观察2支铝管的移动方向。实验现象表明，当缓慢向下平移强磁体使其逐步靠近铝管时，穿过铝管的磁通量增大，管内产生感应电流，受电磁力作用，2支铝管在导轨上相互靠拢以阻碍磁通量的继续增大；当缓慢向上平移强磁体使其逐步远离铝管时，穿过铝管的磁通量减小，2支铝管在导轨上相互分离以阻碍磁通量的继续减小。由此实验进一步巩固学生对楞次定律的理解。

图3 增缩减扩探究仪

学生探究装置

学生探究装置由4件独立的子装置组成，分别为电磁驱动装置、神奇的易拉罐装置、来拒去留小车装置和飞机弹射装置。

电磁驱动装置本装置以废旧木板为原料加工拼装成整体支架，支架中部装有使用透明亚克力板制作的、可绕中心竖直转轴转动的横向摆杆，摆杆两端对称放置方形强磁体；支架底部中心通过悬丝放置闭合铝框，闭合铝框悬空放于2块方形强磁体的中间磁场区域，可在磁力作用下无约束自由转动（见图4）。当学生匀速转动转轴时，带动横向摆杆两侧的方形强磁体一同绕轴旋转，在闭合铝框周边形成旋转磁场，引起铝框内的磁通量发生变化，进而使铝框内部产生感应电流，感应电流激发的磁场会阻碍原磁通量的变化，感应磁场与原磁场之间产生安培力，在安培力的驱动作用下，闭合铝框跟随方形强磁体同向同步转动。

图4 电磁驱动装置

神奇的易拉罐装置本装置以废旧木板为底座，将2支废旧笔芯竖直插入底座左右两侧，同时将2只铝制易拉罐平稳架设于笔芯之上；底座中部以侧壁粘贴圆形磁体的废旧矿泉水瓶作为旋转驱动件，瓶体贯穿转轴可自由转动（见图5）。当学生匀速转动矿泉水瓶时，两侧的铝制易拉罐也会随矿泉水瓶同向同步转动，其原理与电磁驱动装置相同。

图5 神奇的易拉罐装置

来拒去留小车装置本装置由废旧木板、废旧笔芯、传动轴、明轮桨组装的滑行小车与闭合铝环组成。将闭合铝环固定于小车平板之上，整车可平稳自由行驶（见图6）。当将30 mm×30 mm圆柱形强磁体缓慢靠近闭合铝环时，穿过铝环的磁通量增大，铝环内产生感应电流，感应电流激发的磁场阻碍原磁通量的增加，铝环与圆柱形强磁体相互排斥，闭合铝环带动小车向远离圆柱形强磁体的方向运动，直观体现“来拒”；当将30 mm×30 mm圆柱形强磁体从靠近闭合铝环处移开时，穿过铝环的磁通量减小，感应电流激发的磁场阻碍磁通量的减少，铝环与圆柱形强磁体相互吸引，闭合铝环带动小车跟随圆柱形强磁体同向移动，直观展现“去留”。

图6 来拒去留小车装置

飞机弹射装置本装置以废旧木板制作的倾斜支架作为底座，在可拆分式变压器铁芯上均匀密绕500匝直径0.5 mm漆包线制成感应线圈并置于木制底座上，将泡沫飞机尾部用闭合铝环斜向固定于线圈上（见图7）。在线圈通电与断电的瞬间，线圈周围会形成急剧变化的磁场，变化的磁通量使闭合铝环内部产生感应电流，由感应电流激发的磁场阻碍原磁通量的增加，产生强大的斥力推动闭合铝环，进而带动泡沫飞机完成弹射。

图7 飞机弹射装置

系统调试

为确保楞次定律教学一体化演示仪能满足课堂教学的实际需求，在教师演示装置与学生探究装置制作完成并进行初步实验后，按“稳定性—现象清晰度—数据准确性”三级标准，主要对楞次定律探究仪开展系统调试工作。

稳定性测试重复进行“条形磁体插入/（抽出）线圈”实验50次，记录线圈、微电流传感器、发光二极管的运行状态，确保无部件损坏，装置连续工作无故障。

现象调试调整条形磁体的插入速度，确保红、蓝发光二极管亮暗切换清晰，无卡顿或误亮现象。

数据校准通过电脑端数据采集软件，校准微电流传感器精度，使电流随时间变化的图像能准确反映磁场变化规律。

该套装置适配课堂、科普等多场景，既可作为学科实验工具突破教学难点，也可作为科普互动项目让学生自主体验。多班级试用后，学生在电磁感应模块的知识点正确率、课堂参与度等方面显著提升（见表3）。未来，将从以下3个方面进一步优化完善：功能上，可引入Arduino配合霍尔传感器和LCD屏幕，实现数据自动采集与分析；内容上，可结合信息技术、工程设计等内容，开发跨学科项目式学习课程；资源上，开发详细的装置制作与使用手册及视频教程，便于更多教师使用。