电磁感应实验的创新设计，本文主要内容关键词为：电磁感应论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、用电磁炉演示电磁感应现象
电磁炉是一种新型的灶具，其原理是应用交流电的“涡流效应”。在电磁灶内部，由整流电路将50Hz的交流电变成直流电，再经过控制电路将直流电转换成频率为20～40 kHz的高频交流电，高速变化的电流流过线圈会产生高速变化的磁场，当交变磁场的磁力线通过金属器皿（导电材料）底部，金属体内产生无数的小涡流，使器皿本身自行高速发热，进而加热器皿内的东西。现在电磁炉逐渐走入家庭，成为一种高效率的新型灶具。同时，我们可以借助电磁炉创设多个有趣的电磁感应实验。
（一）电磁炉的光效应
用导线将可拆变压器副线圈（400 T）的两接线柱和白炽灯泡（220 V/40 W）连接起来，放置到电磁炉灶台上。再在电磁炉灶台上放入一块铁板（覆盖电磁炉陶瓷平板的一半左右），如图1所示。接通电磁炉的电源，这时你会看到：在铁板被加热的同时，虽然白炽灯泡回路没有与电源连接，但是白炽灯泡发出明亮的光线。
当改变线圈摆放的位置、改变线圈与电磁炉灶台的距离、旋转线圈的方向，灯泡的亮度将发生变化。
若将可拆变压器条形铁芯插入线圈中，白炽灯泡将会发出更明亮的光。
若将一根铝管插入线圈中，白炽灯泡将会变暗。
若在变压器的下方放置一块薄金属铝板，或者变压器放在铁块上，白炽灯泡将完全熄灭。
用电烙铁将两根长导线和日光灯管两端引脚焊接起来，接到可拆变压器原线圈（1400 T）两个接线柱上，把可拆变压器放置到电磁炉灶台上。用同样的方法再在电磁炉灶台上放入铁板（如图2所示）。电磁炉接通电源后，日光灯管被点亮，调整变压器的位置使它发出明亮的光。
实验中若将可拆变压器条形铁芯插入线圈中，日光灯管将会更明亮。若将日光灯管换成霓虹灯管，实验将更新颖、有趣、精彩。
本实验演示后应该立刻切断电源，否则会烧坏日光灯。
（二）电磁炉的力效应
实验前将一只铝制易拉罐的两端底面的中心各钻一个同样大小的小孔。在电磁炉灶台上一侧放置铁板，再把一只铝质易拉罐直接放置到电磁炉灶台上（贴近铁块，如图3所示），电磁炉接通电源后，你会看到：起先静止的易拉罐立刻滚动起来，快速离开电磁炉台面。
电磁炉台面的两端边缘垫起适当的高度（做钢丝支架），用一根钢丝穿过易拉罐的两个小孔，再把钢丝的两端担在支架上（易拉罐靠近电磁炉台面）。在电磁炉灶台上的另一侧放置铁板（如图4所示），电磁炉接通电源后，你会看到：易拉罐会自动旋转起来，如果摆放位置适当，就可以旋转得非常快。
【实验原理】电磁炉产生的高频交变磁场，一部分作用于铁板产生涡流使铁板发热。一部分穿过摆放在电磁炉灶台上的变压器线圈。在变压器线圈中产生了约220 V的高频交流电，所以白炽灯泡会发光。而日光灯管被点亮也是同样原理。
实验中改变线圈摆放的位置、改变线圈与电磁炉灶台的距离、旋转线圈的方向，白炽灯泡的亮度发生变化，说明电磁炉台面上各处辐射的高频交变磁场的强度和方向不同。
条形铁芯插入线圈中，白炽灯泡会发出更明亮的光，说明铁芯是导磁性材料，能有效汇聚磁感线，有增强电磁感应效果。铝管插入线圈中，白炽灯泡将会变暗，说明铝管是非导磁性材料，不能有效汇聚磁感线，还因涡流效应削弱线圈的电磁感应效果。
实验中在线圈的下方放置一块薄金属铝板，白炽灯泡将完全熄灭。直观显示金属板有屏蔽电磁场效果。
易拉罐放在电磁炉台面上，当接通电源后易拉罐立刻滚动起来，这是易拉罐因受到涡电流的力效应而旋转的。
把易拉罐架起来，它就会立刻转动。这是因为易拉罐的一部分置于铁板的上方，因铁板遮挡了电磁炉产生的高频交变磁场，易拉罐这一部分中涡电流很弱，受到的电磁力矩较小。易拉罐未受铁板遮挡部分涡电流很强，受到的电磁力矩较大。另外，这两部分的涡电流的相位也有差异。这样，易拉罐受到相对转轴的力矩不再平衡，易拉罐即随没有铁板遮挡部分一侧的力矩方向旋转。实验直观地演示了涡电流的力效应。
二、用锉刀等用具演示电磁感应现象
利用锉刀表面上有许多细密的刀齿和金属可导电性的特点，可以演示生动有趣的自感现象。
将电池（LED手电筒）正极与锉刀一端平面接触，负极与多根细铜丝组成的导线相连接，将导线的另一端在锉刀平面来回快速滑动，你会看到明亮的电火花。
【实验原理】导线在锉刀上来回滑动时，相当于电路快速地通断，当通过线圈的电流突然减弱时，穿过线圈的磁通量也就很快减少，因而在线圈中产生感应电动势。由楞次定律可知，此自感电动势要阻碍电流的消失，故其方向与电池的电动势的方向相同，即导线一端与锉刀之间存在两个同方向的电动势，这两个电动势的总和较大时，就会在导线与锉刀之间产生较强的电火花。
三、用硬币和磁铁等器具演示电磁感应现象
（一）电磁驱动1
将几枚铝质硬币浮于盛有清水的大瓷碗的水面上，并使硬币静止于水面中央。将强磁铁的一极紧挨硬币上表面。当磁铁贴近硬币上方表面绕其竖直轴旋转时，可观察到非铁磁性物质的硬币竟然跟着磁铁绕其铅垂轴旋转。一旦磁铁停止旋转，硬币也随之逐渐停止转动，如图5所示。
（二）电磁驱动2
取两块长条形强磁铁，将它们吸附在一块U形长铁板的两端侧面，磁铁间的间隙约为4 cm，U形铁板的内侧空间的磁场接近匀强磁场。将两枚铝质硬币（如一角硬币）黏合在一起组成铝轮。磁铁及铁块对铝币是不产生吸引力的（静态时）。当手拿蹄形磁铁，使它的磁极朝下，并使磁极间隙的中部对准小铝轮的轮面向铝轮靠近时，只见小铝轮被一种无形的力推向前方，并向前滚动。若把小铝轮的一半放在间隙中，向后移动磁铁，则铝轮也向后滚动，与磁铁一起向后滚去（如图6）。
【实验原理】在图5中，磁铁在旋转时，在水面附近的空间形成一个旋转磁场，根据法拉第电磁感应定律，硬币在旋转磁场中切割了磁感线，产生了感应电流。感应电流受到磁场力的作用使硬币产生转动。在图6中，磁铁向左运动，通过小铝轮的磁通量增加，在铝轮中产生了涡流，这种涡流对磁铁产生了阻碍磁铁相对运动的力。根据牛顿第三定律，磁铁对小铝轮产生了使铝轮向前运动的电磁力，这种现象叫做电磁驱动。
四、用磁铁和铝板、铝管、铝箔等演示电磁感应现象
（一）穿越电磁隧道
有项非常简易的实验能够生动地演示电磁感应现象。此实验只需：长度约1.3米的铝圆管（或铜管，铁磁性管不可）；直径略小于铝圆管内径，沿轴向充磁的圆柱状钕强磁铁；以及外形、重量均与圆柱状钕强磁铁相似的无磁性圆柱体。实验时，垂直悬吊铝管，先将无磁性之圆柱体置于铝管的管口正上方释放，让该圆柱体在管中自由下落，此无磁性圆柱体经重力加速，迅即穿过铝管，历时约0.5秒；用同样的方法让圆柱状钕强磁铁于铝管中下落时（如图7），磁铁将“出人意料”慢慢地让你等了“好久”方才穿越铝管，在管中历时长达3～4秒。
圆柱状磁铁和无磁性之圆柱体通过铝管所需时间差异之大，无须使用任何计时仪器即能清楚分辨，令人惊奇，所用之器材又简单明了，更鲜明地突显实验之主题，很容易引起学生之注意和好奇，给学生留下深刻印象。
（二）滑行比赛
将一块铝板放在固定的倾斜状态，同时把圆柱形扁磁铁和陶瓷块（或塑料钮子）从铝板的顶端等高位置释放滑下，陶瓷块很快滑到底端，而磁铁下滑得非常慢（如图8）。
（三）磁摆
取两块强磁铁、两只比磁铁大的空心球（如不锈钢球、乒乓球）、一块厚约1 cm的铝板及与铝板相同尺寸的木板、一副支架、两根细线。
先将两只空心球分成两半，再将两个强磁铁分别放入球内，球外用胶带纸封住，并在两个球上固定一细线，做成两个摆球。再将两摆球悬线上端分别固定在支架的横梁上。两摆球下方分别放一木板与一铝板。装置示意图如图9所示。
实验时将两摆球从平衡位置拉开再释放，木板上方的小球能摆动很长时间，可视为等幅振动。而铝板上方的摆球却作阻尼振动，很快便停了下来。若将横梁转动180。，使两球交换位置，仍能观察到相同的现象。
（四）因动而动
找一张香烟盒中的铝箔，把铝箔剪成一长条形，放在一较薄的水平玻璃板上，将一块钕磁铁在玻璃板的下方快速移动，此时玻璃板上方的铝箔也会跟着钕磁铁移动（如图10所示）。
【实验原理】为什么磁铁在铝管中下落的时间变长了呢？
根据楞次定律，感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。当磁铁作为落体在铝管中下落时，这根铝管就是一个闭合导体。在管壁靠近磁铁两极处，由于速度的增加，引起闭合导体的磁通量迅速的变化，会产生较明显的感应电流。感应电流的磁场方向与磁铁产生的磁场方向相反，反抗来自下落磁铁的磁场的增强，这就相当于对磁铁施加了一个向上的力，它阻碍了磁铁的下落，于是磁铁迅即达到终端速度，匀速降落。磁铁在下落过程中减少的机械能转化为电能，再由电能转化为内能。
在图8中，当磁铁在铝板上下滑时，磁铁前方的铝板上某一面积内磁通量会增加。假定磁铁的N极向下，由楞次定律可知，铝板中会产生如图11所示的环形感应电流，该环形电流的N极在上方，对磁铁产生排斥作用。而磁铁后方的铝板上由于磁通量减少，由楞次定律可知，产生的环形感应电流的N极在下方，对磁铁产生吸引作用。因此，铝板上产生的感应电流对磁铁的运动起阻碍作用，所以磁铁在铝板上下滑速度就会趋向匀速滑动。而陶瓷块在铝板上滑动时无感应电流的产生，故无电磁阻力的作用，一直加速下滑。图9、10中的实验与图7、8中的实验原理是类同的。
五、用微风吊扇和发光二极管演示电磁感应现象
微风吊扇一台，红、绿发光二极管各一只。微风吊扇通电后扇叶转动，此过程中电能转化为动能。拔下插头，在电扇的插头处并接两只红、绿发光二极管（极性相反，如图12所示），用手旋转叶片，这时会看到红或绿的发光二极管发光，再用手反方向旋转叶片，就会出现绿或红的发光二极管发光，这是磁生电的现象。人们利用这一原理制成了发电机。
学生根据自己的生活经验，肯定不相信微型吊扇能发电，生动的实验引发学生的认知冲突，引起学生的兴趣。此时教师现场拆开吊扇，让学生能够观察到吊扇的内部主要构造是磁铁和线圈。
【实验原理】用电器都是消耗电能转化成其他形式的能。电和磁之间的转换可通过产生条件来判断。吊扇工作时消耗电能，将电能转化为动能。拔下插头在电扇的插头处并接两只红、绿发光二极管，用手旋转叶片时，线圈在磁场中做切割磁感线运动，产生了感应电流。感应电流通过发光二极管而发光，此时的吊扇就是一个发电机。发电机主要是由线圈和磁体组成的，电动机的主要组成部分也是线圈和磁体，它们的工作原理不同，工作时的能量转换就不同。在其他条件相同的情况下，叶片的旋转方向不同，即导线切割磁感线运动的方向不同，产生感应电流的方向不同。由于两只发光二极管并接时的极性相反，所以当旋转吊扇叶片时，只能看到一只二极管发光。
六、用铁钉、导线等演示电磁感应现象
如图13是一个自制的演示电磁感应现象的装置。在一根较长的铁钉上用铜导线绕两个线圈A和B，将线圈B的两端接在一起，并把导线的直线段CD部分放在静止的小磁针的正上方，小磁针放在水平桌面上，并与导线CD平行。线圈A与干电池、开关S串接起来。在闭合或断开开关S的瞬间，小磁针立刻发生顺时针或逆时针偏转，线圈A、B的匝数越多、干电池的电压越高，实验效果越好。
这个实验不仅能演示电磁感应现象，而且有效地帮助学生分析、判断感应电流的方向，验证楞次定律。
七、结束语
电磁感应现象是以电场和磁场为基础，通过对实验现象的观察与分析总结出来的重大发现之一。教材中设置了一些演示实验，由于演示实验是以“实验专用仪器”的面目出现，用途单一、与生活联系不够密切，与学生有一定距离，无法改变学生以被动接受者的角色出现在课堂上；不利于培养和挖掘其多方面的能力。利用生活中的器具创新物理实验，为学生搭建了一个动手动脑的平台，使学生真正成为自主探究科学规律的主体。因此，倡导自找器具做实验是提高学生科学素养的一种有效途径。
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