条形磁铁的插入速度不能太快[文档资料]

条形磁铁的插入速度不能太快 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 在物理教科书选修 3-2 第四章第 4 节中写到： “ 在向线圈中插入条形磁铁的实验中，插入的速度越快，产生的感应电流就越大 ”. 部分年轻教师经验不足，课前没有仔细观察实验现象，课堂上用图 1 装置演示时，逐渐增加插入速度 .学生观察发现，当速度增加到一定程度时，指针的偏转角度没有增大 .课堂上出现了非常尴尬的局面 . 为什么会出现这种现象？这要从电流表的工作原理谈起 . 电流表内部转动 部分的结构如图 2，电流表的线圈绕在铝框上，铝框和指针固定在转轴上，转轴两端跟螺旋弹簧连接 .将线圈、铝框和指针以及转轴作为一个整体称之为系统 .线圈中的电流受到的安培力是系统的动力 (见图 3).螺旋弹簧的弹力是系统的回复力 .铝框在转动过程中会产生感应电流，感应电流受到的安培力对转动起阻尼作用，使指针不会出现来回摆动的现象 . 动力矩的表达式为 M 动 =n1BiS(1) 其中 n1 为电流表线圈的匝数， B 为辐向磁场的磁感应强度， i 为线圈中的电流强度， S 为线圈回路 (或铝框回路 )的面积 . 回复力矩的 表达式为 M 回 =k(2) 其中 k 为常数，由螺旋弹簧的力学性质决定， 为指针转过的角度 . 阻尼力矩的表达式为 M 阻 =B2S2r(3) 其中 r 为铝框回路的电阻， 为铝框转动的角速度 . 当给线圈通入恒定电流时，动力矩使系统开始转动，在回复力矩和阻尼力矩的共同作用下，系统很快停下来，指针指向某个位置 .此时系统的角速度 为零，阻尼力矩为零，动力矩跟回复力矩相平衡，由 (1)、 (2)式得 i=kn1BS(4) 由 (4)式可知，线圈中的电流强度跟指针转过的角度成正比，即指针转过的角度越大，线圈中的电流强度就越大 . 要强调指出， (4)式只适用于线圈中通入恒定电流的情况 .用图 1 装置做演示实验时，线圈中的电流不可能是恒定值 .下面分两种情况讨论： (1)当磁铁的插入速度很慢时，线圈中的感应电流较小，动力矩的作用时间较长，系统转动的角速度较小 .根据式(3)，阻尼力矩很小，系统可近似地视为平衡状态， (4)式近似成立，此时增加磁铁的插入速度，指针的偏转角度会增大 . (2)当磁铁快速插入时，线圈中的感应电流很大，动力矩的作用时间很短，系统经历了两个过 程： 动力矩的瞬时加速过程； 阻尼力矩与回复力矩共同作用的减速过程 . 特征，只有让学生有亲身感受才能有利于教学的开展 . 在 “ 惯性 ” 知识教学中，学生难于理解任何物体具有保持原来运动状态的性质，往往只是简单的模仿解释生活现象 .如图 5 中，小车上的容器 B 里面放一铁球 A： (1)当小车 B 由静止突然启动时， A 球会怎样运动？为什么？ (2)A、 B 由匀速运动时， B 车突然停止运动， A 球会怎样运动？为什么？ 假如把 B 车容器中装上水， A 为一气泡： (1)当小车 B 由静止 突然启动时， A 气泡会怎样运动？为什么？ (2)A、 B 由匀速运动时， B 车突然停止运动，气泡 A 会怎样运动？为什么？ 假如把 B 车容器中装上水， A 为一铁球： (1)当小车 B 由静止突然启动时， A 球会怎样运动？为什么？ (2)A、 B 由匀速运动时， B 车突然停止运动， A 铁球会怎样运动？为什么？ 在不同情境下， A 物体有不同的相对运动，深究其原因就能使惯性概念清晰化 . 再如讲解光的全反射现象，提供一个烧杯和一个小烧瓶： (1)先把空小烧瓶中放在空烧杯里和外， 让学生观察观察小烧瓶亮度的变化 (2)把小烧瓶中装满水放在空烧杯里和外，让学生观察观察小烧瓶亮度的变化 (3)把小烧杯中装适量的水放在空烧杯里和外，让学生观察观察小烧瓶亮度的变化 (4)把小烧瓶中装满水放在装有适量水的烧杯里和外，让学生观察观察小烧瓶亮度的变化 通过不同物理条件的变化，让学生去发现物理现象和规律，从而掌握物理现象的本质 .教师设计情境让学生体会物理感受，参与课堂教学，让学生成为概念学习的主人，让学生真正参与到概念的建构过程中来，才是提高效率的关键 .大量做 题无法让学生体会到学习物理的快乐，更无法提高物理能力，速成的东西只能昙花一现 .恰当地运用对比演示实验，可以把知识技能的学习和发展学生的观察能力、抽象思维能力、思维创造能力以及科学态度有机结合起来，可以逐步提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力 .充分开发对比演示实验，会让物理教学更具生动性、趣味性，使学生从畏学变为乐学 . a.瞬时加速过程 设条形磁铁的插入时间为 t ，穿过螺线管的磁通量变化为 ，根据法拉第电磁感应定律和欧姆定律， (1)式变换为 M 动 =n1n2BSRt, 式中 n2 为螺线管的匝数， R 为螺线管和线圈的总电阻 .动力的冲量矩为 #8226；t=n1n2BSR(5) 由于插入时间 t0 ，系统在瞬间获得角速度 0 ，系统转过的角度 t=0. 回复力的冲量矩为 #8226；t=k #8226；t=0 ， 电磁阻尼的冲量矩为 #8226；t=B2S2r #8226；t=B2S2r #8226；=0. 根据角动量定理有 #8226；t=I0 -0(6) 式中 I 为系统的 转动惯量 . 由 (5)、 (6)两式得 0=n1n2BSIR(7) 可见，对于给定的实验装置，系统获得的角速度 0为定值，跟磁铁的插入速度无关 . b.减速过程 由于系统获得的初始角速度 0 为定值，在回复力矩和阻尼力矩的作用下，根据能的转化与守恒，指针偏转的最大摆角 也为定值，跟磁铁的插入速度无关 . 综合以上分析，当磁铁的插入速度较慢时，增加插入速度，指针的偏转角度会增加；当磁铁的插入速度很快时，增加插入速度，指针的偏