自制DIS传感器的多功能电磁感应教具

中学物理 Vol. 39 No. 07
2021年4月
•实验研究•
自制DIS 传感轟的多功能电磁感应教具
贾剑俞根强
（湖州市第二中学浙江湖州313000）
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 文献标识码：B 文章编号:1008 - 4134（2021）07 - 0059 - 03
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⑴•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⑵， 有助于培养学生的科学探究精神⑶.
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个璽线管固定
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
图1教具器材
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.
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.
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2021年4月
Vol. 39 No. 07
中学物理
表1楞次定律演示实验观察记录表
强磁铁的运动
磁通量的 变化
U-t 图像中
图线所处象限
螺线管中感应电流的方向
感应电流磁场方向 与原磁场方向的关系
结论
靠近
N 极第一象限
逆时针相反磁通量增加时，感应电流的磁场
S 极
增加
第四象限顺时针相反方向与原磁场方向相反
N 极第一象限
逆时针相同磁通量减少时，感应电流的磁场
S 极
殛少
第四象限
顺时针
相同
方向与原磁场方向相同
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3和M 不变
的前提下，感应电动势E 与螺线管匝数n 成正比.
图4楞次定律演 示实验示意图
3. 3 探究法拉第电磁感应定律实验
3.3. 1保持匝数“和磁通量变化量40不变，定量
探究E 与■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 之比为仏：嘉：嘉=1：4：9,根据自由落体运动规律”=
7^,可知经过螺线管时强磁铁的瞬时速度之比为 5：°2：巧=1：2：3.在经过螺线管时位移相同，强磁铁
所需时间之比为t x -t 2-t 3 =壬:壬:三=由图
v 2 12 3可知,感应电动势峰值之比E 「E2：E3=1：2：3.保持匝
数n 和磁通量变化量4。

不变,在强磁铁经过螺线管
时产生的感应电动势E 与■成反比.
图屠黔熬!曙图9定量探究E 与匝数n 关系实验中I图像
3.3.3保持匝数n 和•不变，探究E 与磁通量变化 量的关系
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〃-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、①会增大，即可完成保持匝数n 和 M 不变，探究E 与的关系.由图11可知，磁通量 变化量3越大，同一螺线管产生的感应电动势E
越大.
图6定量探究E 与
A,关系的实验示意图
图7定量探究E 与At 关系实验中UT 图像
图11定量探究E 与Ag>关系中UT 图像
图10探究E 与磁通量变 化量A<p 关系实验示意图
3. 3. 2保持磁通量变化量 3和M 不变，定量探究
E 与匝数"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 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
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中学物理Vol.39No.072021年4月•高考研究•
基于高考创新类卖验试题和评分细则的恩、考
—
—以2019年全国HI卷理科综合第22题为例
邓贤彬
(资中县教育研究室四川内江641200)
摘要：2019年全国DI卷理科综合第22题试题表述和评分细则存在一些小瑕疵，试题文字表述不够科学和严谨，评分细则重点不够突出，实验设计目的达成度不高.为此就试题和评分细则提出建议，以期对高考创新类实验试题的命制有所裨益.
关键词：创新实验;科学严谨；建议；实验试题;评分细则
中图分类号：G633.7文献标识码：B
纵观近几年高考物理实验题，选材均来自于教材，但往往在教材的基础上命制试题，通过对实验器材、实验方法、实验原理等加以拓展，变成创新类试题，以便更有效地考查考生解决问题的能力•高考实验题既承担着考查考生实验能力的重任，同时又肩负着引导考生客观对待实验原理、实验过程和实验结果
文章编号：1008-4134(2021)07-0061-03
的科学精神培养的价值导向功能因此，试题无论如何创新,实验的可行性、科学性特别是真实性是实验创新的前提条件.本文以2019年高考全国HI卷理科综合第22题为例，谈谈对高考物理实验创新的理解和思考.
2019年全国皿卷理科综合第22题是一道创新实
作者简介：邓贤彬(1973-),男，四川资中人，本科，中学高级教师，研究方向：高中物理学科教学.
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〃-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X增大.在保持匝数n和磁通量变化量A0不变下,&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]苏缓，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)
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