從原理出發自制基于DIS的電磁阻尼演示裝置*

梁慶鴻 王文清

(內蒙古科技大學包頭師范學院 內蒙古 包頭 014000)

討論來源于人教版選擇性必修第二冊第3節“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”“練習與應用”第3題，如圖1.題目讓學生尋找強磁鐵在鋁管中下落慢，在有縫隙的鋁管中下落又變快的原因，但磁鐵在鋁管中下落過程不可見，學生容易誤認為有縫隙鋁管沒有產生安培力[1].為了解釋磁鐵在金屬管中下落慢而在開口金屬管中下落變快，學者們設計了不少實驗裝置.筆者在前人改進的實驗基礎上進行創新設計，自制電磁阻尼演示裝置，謹與大家分享.

圖1 鋁管

1 已有實驗及不足

筆者收集了有關的實驗，主要有以下兩類.

1.1 改善可視性類

如圖2所示，讓強磁鐵從帶小孔空心鋁管中下落，比較通過不帶小孔鋁管的時間[2]； 如圖3所示在玻璃管外側加裝鋁環，讓磁鐵球從管口下落，比較不裝鋁環的下落時間[3].這兩種做法增加了可視性，但這兩種裝置材料較難獲取，學生制作起來也較為困難.

圖2 帶小孔鋁管

圖3 套鋁環玻璃管

如圖4所示，讓強磁鐵沿著傾斜直角鋁板下落，說明導體形狀不同，產生渦流的強弱不同[4]；如圖5所示，比較磁鐵沿著傾斜銅板、鋁板及塑料板下落快慢，由于材料電阻率不同，產生渦流的大小不同，因此產生電磁阻力的大小也會不同[5].這兩種做法可視性進一步提高，但難以從原理上給中學生對此現象做出解釋.

圖4 直角鋁板

圖5 傾斜金屬板

1.2 改善阻尼效果類

另一個角度是考慮阻尼效果.第一種，如圖6所示用兩根相同的彈簧懸掛兩段短銅管在同一高度，一段下面放置強磁鐵，比較兩段短銅管在一定高度上釋放的振動時間.比較發現放置強磁鐵的短銅管振動時間較短，說明磁鐵對振動銅管有阻礙作用，也即說明磁鐵在銅管中下落會受阻[6].但是短銅管不能保證從同一高度自由釋放且容易觸碰磁鐵受阻，從而影響實驗.

圖6 懸掛短銅管

第二種，如圖7所示分別將空心鋁管和PVC管自由懸掛在力傳感器上，測出被自由下落的強磁鐵穿過時的F-t圖像，分析磁鐵穿過兩管的受力及時間，可看出磁鐵穿過鋁管時對鋁管有作用力，下落的時間較長.這種做法將時間和受力定量比較，進而對電磁阻尼有了更加深刻的理解和認識[7].但是可視性沒有提高，也未能從原理上對現象做出解釋.

(a)

以上實驗都能在一定程度上說明有安培力產生，但未能將可視化與阻尼效果很好結合，在原理上做出解釋.基于以上實驗的借鑒和分析，筆者做出改進，從實驗原理出發，設計與制作實驗裝置.

2 實驗設計與裝置自制

2.1 實驗原理

如圖8所示，將線圈套在透明塑料管底部，磁鐵下落時，線圈處磁通量發生變化，產生感應電動勢，線圈接入LED燈，電路閉合形成感應電流，燈發光.此時線圈中產生感應電流，在磁場中受到力，傳感器示數發生變化，分析力的方向可知其阻礙磁鐵下落，為安培力.

圖8 實驗原理圖

2.2 制作材料

透明塑料管，長度約50 cm；PVC短管，內徑大于透明塑料管；漆包線；圓弧形鋁片；LED燈珠;圓柱形強磁鐵，直徑稍小于塑料管內徑；力傳感器；支架；學生電源；開關等.

2.3 實驗裝置設計與制作

裝置圖如圖9所示.裝置主體設計主要由兩部分構成，一部分用電磁控制磁鐵能自由下落，使磁鐵由靜止自由釋放和固定下落位置，便于測到線圈在磁鐵穿過時受力的方向；另一部分使LED燈發光和用力傳感器測力.漆包線纏繞于PVC短管做成線圈1，連接到電流換向雙刀雙擲開關，接入學生電源.

圖9 實驗裝置

透明塑料管管口下方開半邊小口，將PVC短管固定在小口下沿，但管子間不接觸.將力傳感器固定于支架上，下面懸掛透明塑料管. 將漆包線并排密繞6層，每層50匝的可動線圈在合適線軸上， 固定在透明塑料管下方40～50 cm處.底座用海綿鋪墊防止磁鐵落地破損.

裝置電路設計如圖10所示，LED燈里外層顏色不同、極性相反.

圖10 線圈2電路圖

2.4 實驗操作

將6層線圈接入電路，將開關S2閉合.打開學生電源，閉合雙刀雙擲開關，使強磁鐵懸浮在透明塑料管小口處.斷開雙刀雙擲開關，觀察到LED燈在釹磁鐵穿過線圈瞬間發光，如圖11所示，說明線圈產生感應電流.連接力傳感器至電腦上，調節F-t圖像到合適的區間，數據調零.斷開開關S1和S2，線圈不閉合，釋放磁鐵得到透明塑料管受力如圖12所示.閉合開關S1，線圈閉合，先后把磁鐵N極和S極朝下釋放，得到透明塑料管F-t圖，如圖13和14所示.

圖11 LED燈發光(視頻截圖)

圖12 不閉合線圈F-t圖

圖13 N極朝下線圈F-t圖

圖14 S極朝下線圈F-t圖

如圖15所示將線圈換為圓弧形鋁片，按照同樣的操作，測得透明塑料管的F-t圖.

圖15 將線圈換為圓弧形鋁片

鋁片閉合時受力約為0.52 N，如圖16所示.

圖16 “閉合”鋁片F-t圖

“不閉合”時受力約為0.46 N，如圖17所示.

圖17 “不閉合”鋁片F-t圖

2.5 現象分析

線圈不閉合時，從圖12可以看出磁鐵與透明塑料管間摩擦力是很小的.線圈閉合時，從圖13和14可知，磁鐵穿過線圈瞬間產生安培力，分析受力方向可知安培力對磁鐵下落有阻礙作用.從圖15～17可知鋁片“不閉合”時也能產生安培力，只比“閉合”鋁片小了一些，同樣對磁鐵下落有阻礙作用.

2.6 實驗結論

實驗原理為：由于強磁鐵磁性強，銅的電阻率小，在線圈有較大感應電流和安培力產生，可知在鋁管中也有較大感應電流和安培力產生，安培力阻礙作用導致磁鐵下落變慢.在“不閉合”鋁片中也能產生安培力，因為看似不閉合的鋁片，其中包含閉合回路，在有縫隙鋁管中會產生渦流，也會有安培力產生，只比完整鋁管上產生的力小一些，下落快一些.

2.7 裝置特色

(1)本裝置從原理出發設計，分析管中一小段的電流及受力情況，以小窺大.(2)從透明塑料管學生能清楚地看到磁鐵運動的過程，可視性強.(3)裝置材料包括漆包線、鋁片、塑料管等容易獲取，制作方便，操作簡便，實驗效果好，成功率高，現象新奇，能激起學生探究欲望.

2.8 裝置應用

實驗裝置便于解釋強磁鐵在銅管或鋁管中下落慢，在有縫隙銅管或鋁管中下落又變快的原因，可做“渦流、電磁阻尼”課程的重點實驗，也可在習題教學中做相關實驗，與前面介紹的已有實驗結合起來能很好地提高學生核心素養.

同時，本裝置是多功能的，可用于做電磁感應系列實驗，做到一材多用.

(1)裝置可作為“楞次定律”演示儀來探究感應電流的方向規律，強磁鐵在進入和穿出線圈時感應電流方向是不同的，裝置中LED燈發光順序是不同的，通過巧妙設問和層層引導的教學設計，突破了教學難點，能幫助學生更好地理解感應電流的方向規律[8].

(2)圖18為課本定性探究“法拉第電磁感應定律”實驗裝置圖[1]，本裝置能控制磁鐵在同一高度自由下落完成此實驗.同時，本實驗裝置便于改進此實驗.由于電壓表不好讀數，可用電壓傳感器代替，利用DIS記錄實驗數據；通過改變可移動線圈位置改變下落高度和下落時間；接入不同抽頭可改變線圈匝數等.

圖18 實驗裝置圖

3 結束語

本裝置基于DIS，通過探究強磁鐵穿過線圈的感應電流產生情況和阻尼情況，將磁鐵在鋁管中下落慢的原理展現出來，幫助學生了解磁鐵在鋁管或銅管中下落變慢的原因.通過探究強磁鐵穿過“閉合”與“不閉合”鋁片的阻尼情況，幫助學生正確認識到磁鐵在鋁管中下落慢是因為安培力阻礙作用，在有縫隙鋁管中下落變快是因為安培力阻礙變小而不是沒有了，有縫隙鋁管也產生渦流.裝置是多功能的，能完成電磁感應的系列實驗，便于教學，節約了實驗費用.