楞次定律演示仪的制作与创新 论文

楞次定律演示仪的制作与摘要：针对楞次定律这一教学难点，结合教学实际自制楞次定律演示仪，并对实验方案进行改进和创新，以求达到取材简单，现象明显，便于携带的目的。帮助学生提升兴趣，掌握知识。关键词：楞次定律，演示实验，物理实验，自制，创新引言：经过多年的教学实践，发现许多同学在学习楞次定律的时候，总是犯迷导致线圈感应电流方向的判断以及导体棒运动方向的判断，经常性出现低级错误，犯这样的错误的学生比例比较大，时常令我感到困惑。在和学生进行深入了解后，发现问题主要出现在楞次定律的理解上。一、课程教学1.教学难点的形成人教版新教材高中物理课本中对楞次定律是这样描述的：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，这就是楞次定律。学生看到这个概念感到一脸茫然，这个定律好像是用来判断感应电流方向的，但又没有提供判断感应电流方向的方法。如果我们能通过实验观察到感应电流的方向，进而就知道感应电流的磁场，再通过与引起感应电流的原磁通量变化大小进行比较，就能理解楞次定律。对楞次定律的应用正好可以通过“阻碍”这个特点，判断出感应电流。总之感应电流的方向在整个演示实验中至关重要，对楞次定律的理解也尤为关键。2.书本教学实验的优点和不足图1各个版本的物理教材，对于楞次定律的演示实验都是大同小异（如图1所示），通过灵敏电流计指针的偏转来判断感应电流方向，通过插拔磁铁，在线圈中产生总的来说，实验优点：操作简单，现象明显。同样，实验的缺点也很明显，首先，你要通过电池判断出电流的流向和电流计指针偏转方向之间的关系（如图2所示）；其次，指针在有电流时偏转，没有电流时，要恢复原位，由于惯性，指针总要左右反复偏转直至停止，这样就会出现磁体不运动时，指针还在偏转，给学生的理解造成困扰。最后，感应电流的方向是通过指针的偏转来指示的，不够直观，学习时容易顾此失彼。本实验涉及的器材有导线、条形磁铁、线圈、灵敏电流计等（如图3所示），老师上课之前要组装，课后要拆解还原，携带不够便捷，这就导致一些老师上课没有演示实验，直接带领学生观看视频。另外，实验中灵敏电流计指针比较细，光线如果稍微暗一点（比如阴天），后面的同学就可能观察不到，这样演示效果要大打折扣。图2图3二、设计演示1.设计思路如何让感应电流反向判断更简单呢？带着这个疑问，我搜索大量的参考文献，方法主要分为两类，一类利用发光二极管，电流转换dis传感器，将电流转换成电信号，在电脑上以图形的形式显示。后者显示更加直观，不仅能判断出感应电流的方向，而且把磁铁运动过程中，产生的感应电流的大小也能直观的反映出来。考虑到有些学校没有传感器和电脑等硬件，取材不方面，果断舍弃这个方案，采用第一类方案。2.设计原理利用发光二极管的单向导电性，将电流流向用光显示出来，当电流正向导通时，二极管发光，电流反向时，则不发光，以下为设计的电路（如图4所示）图43.制作过程选用直径为0.7mm的漆包线，缠绕在易拉罐上，共计缠绕了两个小时，一千匝左右，大约600g左右，然后用万用电表测量感应电流的大小，利用钕硼铁磁体，来插拔线圈，发现感应电压的最大值约为0.37V，若使发光二极管发光，正向导通电压大约为1.7V以上。综上分析，要想达到实验的要求，意味着线圈匝数至少在3000匝起步，在缠绕的过程中，漆包线不断打滑，缠绕不是非常紧密，缠的越多，操作难度越大，这样做不仅耗材甚多，而且还耗时居多，整个装置也比较笨重，与当初设计要求有点不符。有些文献对于此类提到的方法，只是停留在理论上，缺乏实际操作的经验，成功的可能性较小。如何来解决发光二极管电压不足的问题呢？我首先想到利用电流放大器来解决这个问题，经过查找文献，有两位老师采用这种方法，一种采用三极5所示）一种采用UA741CN运算放大器来实现微电流放大效果（如图6所示）。在解读这两个实验装置图时，我发现这种电流放大的方法，对电子知识要求较高，经过考虑，我尝试了用三极管放大电流的方法，但是没有获得成功，可能与三极管型号有关系，而文献中又没有提供三极管的种类，演示仪的制作又重新陷入了僵局！图5图6抛去这些复杂的电路知识，有没有更简单的方法，来实现二极管发光呢？结合感应电流的电压约为0.37V，二极管发光电压约为1.7V，两者相差约1.4V，这个相当于一节干电池的电压，如果把干电池串在电路上，这样就可以解决二极管发光问题。经过思考和反复尝试，最终确定了以下的电路图（如图7所示），并利用身边的材料制作出演示仪（如图8所示），二极管能够正常发光，实验现象明显。图7图8：演示仪雏形24.改进演示仪当我把制作的演示仪在课堂进行演示时，发现有以下几个问题：其一，制作简陋，观赏度较低；其二，纸盒较轻，折腾几次，容易破损；其三，纸盒大小较小，后面的同学不方便观察，发光二极管的数目较少，光的产生和消失很快，很难给人留下较深刻的印象。最后一个比较致命问题就是，有时没有演示的时候，发光二极管发出淡淡的微光。容易给学生造成误解。针对以上出现的四个问题，经过研究和思索以后，进行如下调整：（如图9所示）（1）用长52cm、宽56cm的三合板做基座，并在基座正反两面，蒙上白纸，确保背景干净简洁。并一侧画上电路图，另一侧绑定线路。整个装置比原先大了好几倍，便于学生观察。（2）用款6cm、长23cm，纯色纸盒做方向箭头，起到电流的指示作用，针对两个支路，做了两种颜色箭头，每个箭头上分别并联22个发光二极管，一条支路发红色光，另一条支路发黄色光。这样电流方向醒目，指示清楚，给人留下深刻印象。（3）针对发光二极管在演示之前微微发光问题，实验中用旧电池代替新电池。图9演示仪的制作流程5．演示仪的使用过程当磁铁的N极从右端插入时，黄灯亮起，有黄色箭头指示，可以轻松得出电流方向向上，同理当N极拔出时，红灯亮起，电流方向向下。同理也能得出S极插入和拔出时的实验现象（如图10所示）。另外电路图中标明了标明了线圈缠绕的方向图10课堂演示发现，很容易得感应电流的磁场方向。通过教师的引导，做好实验记录，填写好相应的表格，注意观察和思考，学生就能理解感应电流、感应电流的磁场以及引起感应电流的磁通量变化，它们三者之间的关系，做到真正理解楞次定律的意义。6．使用效果评价整个使用装置一体化程度高，便于携带，展板简洁，没有多余的设计。电路图和实物图相结合，便于学生观察，可重复操作性强。由于是自制的教学仪器，学生兴趣浓厚。在整个实验展示的过程中，由于展板很大，无论教室哪个地方的学生，都能很清楚的观察到实验现象，真正做到全方位无死角的观察。另外实验现象非常明显，就算磁铁较为缓慢的运动，也能观察明显的实验现象。磁铁不动，二极管不发光。磁铁运动快与慢，灯光的明暗程度非常明显，实验装置的灵敏度很高。三、实验制作制作这个演示仪，前前后后花费了一个月之久，对于制作的成果跟别人的制作可能感觉类似，但是每一个改动都是用心良苦。在制作过程中，我不断翻阅了大量的文献，不同的文献内容，总是能给我启发，使得我对楞次定律这个内容，有了更深入的了解，让我不仅仅要站在老师的立场去解决这个问题，还要站在学生的角度去思考的问题，真正的做到授业、解惑。在探索的过程中，我也不仅仅停留在理将模型真正展现出来。也终于明白实践时检验真理的标准，书上有些言论也并不可信。在实践过程中，必然会遇到各种各样的困难，通过思考不断解决问题，这本身就是一种成长。另外这个装置所涉及的材料，在我们身边都唾手可得，学生组装起来没有什么难度，可以作为课后作业，提升学生的动手操作能力，让学生体验知识探索的乐趣，增加对物理的兴趣，而这个能力恰恰是当代中学生缺少，也正是新课改所注重提升的能力。这个楞次定律演示仪虽然看起没有那么高大上，也没有多少科技含量，但是它