探究电磁阻尼现象实验组和教具

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  初中课本中简单地介绍了电磁感应现象,使学生初步了解了“磁生电”的方法。而在高中课本中的相关章节,除电磁感应的概念、分析、计算和应用外,还有一种叫电磁阻尼的现象与之相关,这些现象如果能一一展示给学生,会大大激发他们的学习兴趣。
  为帮助学生理解、掌握电磁感应的相关知识,我萌生了自制教学仪器的想法。透过仪器分析这些生动有趣的现象,学生能将电磁感应、楞次定律、电磁阻尼这三方面的内容紧密地结合在一起思考,这对锻炼学生的物理思维能力、拓宽学生视野等有很大作用。
  一、教具制作
  本组合教具包括以下三种常见的电磁阻尼现象实验装置,制作与演示方法如下:
  (一)涡流制动
  1.材料:“蹄形强磁铁”(由两片长方形强磁体、U型铁块组成)、铝盘(带支持架)。
  2.演示方法:如图1所示,拨动铝盘,使铝盘高速转动,让“蹄形强磁铁”靠近铝盘,铝盘在磁体两极之间的磁场中转动。可以看出,加入磁场后,铝盘转动速率明显减小,很快就停下来。
  3.原理:铝盘在蹄形磁铁的磁场中转动,会在铝盘中激起涡流,涡流与磁场相互作用产生动态阻尼力,从而提供制动力矩,使铝盘迅速停下来。
  4.制作要点:实验用的铝盘、连接铝盘的安放架及U型铁块,都是从废旧电能表上拆下来的。
  根据电磁感应公式ε= n(ΔΦ/Δt),要产生更大的动态阻尼力,要求磁场足够大。所以需使用强磁体,以增强实验效果。
  另外,局部磁场的强弱还与磁体形状有关,同时靠近两个磁极,比只能利用一个磁极的磁场要强得多,这也是制作“蹄形强磁铁”的原因。
  (二)电磁阻尼管
  1.材料:空心不锈钢管、圆柱形强磁铁若干、竹子段若干(作为填充物)、两个铜环(其中一个有缺口)。
  2.构造:如图2所示,将强磁铁与填充物间隔着塞满空心不銹钢管。钢管下端安装底座,铜环用粗铜线绕成,以刚好穿过不锈钢管为宜,其中一个铜环两端要焊接在一起,另一个保留缺口。
  3.演示方法:将两个铜环放入不锈钢管口,闭合的在上,有缺口的在下,使两个线圈沿管壁下落,闭合的铜环从不锈钢管上缓慢下落,有缺口的线圈则以近似自由落体的方式正常下落。
  4.原理:闭合导体穿过磁极时切割磁感线,产生感应电流,导体受到总是阻碍相对运动的安培力的作用,所以闭合铜环的下降速度较慢。而开口铜环没有感应电流,不受安培力,按照近似自由落体的规律下落。
  5.制作要点:管内磁铁与填充物应间隔均匀分布,而不能只用磁铁装满或将磁铁集中在一起。如果磁铁都集中在一起,就相当于一块很长的条形磁铁,虽然两极磁感线较密集,但中部的磁感线近似与磁铁自身平行,铜环通过这段时,磁通量变化极小,不减速,实验效果差。
  铜环质量均匀,而且不能太小。质量均匀下落时才能平衡。铜环质量太小,摩擦力减速的作用本身就已很明显,安培力的作用不易分辨。
  (三)电磁阻尼摆
  1.材料:圆形厚铝片两块(可用旧版一角硬币代替)、圆柱形强磁铁、支架、线。
  2.构造:如图3所示,将圆形铝片中心穿孔,挂在支架两侧,注意使两侧铝片处于同一高度,在其中一侧安放磁铁,磁场对准铝片。
  3.演示方法:将两侧铝片拉升到同一高度,同时释放,可以看到,经过磁场一侧的摆的摆动幅度会有明显衰减,先于另一侧停下来。
  4.实验原理:有磁场一侧的铝片通过磁场时,铝片的磁通量发生变化,产生感应电流,机械能转化为热能,先停下来。
  5.制作要点:摆片材料所含铁杂质要足够低,且质量不能太大;磁场范围的大小应与摆片大小相当。
  二、创新性
  1.针对性强,效果明显。
  2.成本低廉,构造简易。
  本教具组装方便、造价不高,既能培养学生动手能力,又能改善教师的教学效果。
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