劉 通，王澤源，于 琪

(1.天津師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，天津 300387;2.天津市實(shí)驗(yàn)中學(xué)，天津 300074)

1 高中渦流實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

高中物理教材在“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”中，分析了感生電動(dòng)勢(shì)，對(duì)其形成的原因進(jìn)行了初步探討后，介紹了渦流及其成因、渦流的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)[1]. 在機(jī)械效應(yīng)方面，設(shè)置了簡(jiǎn)易的電磁阻尼擺實(shí)驗(yàn)和三相電流的電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，由于在教學(xué)過程中缺少配套、有效的演示實(shí)驗(yàn)裝置，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的直觀認(rèn)知有所缺失[2]. 傳統(tǒng)教學(xué)方式與新課改中注重課程的時(shí)代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需要的教學(xué)理念[3]及教學(xué)目標(biāo)相沖，在一定程度上不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的進(jìn)一步發(fā)展. 為解決以上問題，本文應(yīng)用渦流的產(chǎn)生機(jī)制和機(jī)械效應(yīng)原理，制作了集懸浮、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、發(fā)電于一體的多功能電渦流演示儀. 此實(shí)驗(yàn)儀可以讓學(xué)生直觀地觀察到渦流現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解渦流的物理圖象. 除教師的講解外，學(xué)生還可以通過原理進(jìn)一步定性地分析渦流的技術(shù)應(yīng)用.

2 多功能電渦流演示儀的原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

有關(guān)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)的文獻(xiàn)有很多，例如文獻(xiàn)[4]介紹了4種實(shí)驗(yàn)教具的相關(guān)制作和應(yīng)用，文獻(xiàn)[5-6]介紹了釹磁鐵沿金屬板下滑的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn). 這些演示實(shí)驗(yàn)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1)演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象明顯，能夠引發(fā)學(xué)生探索的興趣和思考.

2)制作和操作方法簡(jiǎn)便,實(shí)驗(yàn)裝置取材方便.

3)在教具設(shè)計(jì)理念方面，部分實(shí)驗(yàn)想法新穎，構(gòu)思巧妙. 另外，還有部分實(shí)驗(yàn)將教材中涉及的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn).

4)在教具設(shè)計(jì)原理方面，部分原理在演示實(shí)驗(yàn)后再向?qū)W生進(jìn)行解釋，學(xué)生會(huì)更容易理解.

通過以上總結(jié)，可以看出目前電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)突出，但不足也較為明顯. 主要表現(xiàn)在以下方面：

1)時(shí)代性：演示實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)生活有一定程度的脫離.

2)推廣性：演示實(shí)驗(yàn)儀器無法批量生產(chǎn).

3)創(chuàng)新性：目前的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)主要集中于磁鐵在塑料管和鋁管當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)，蹄形磁鐵貼近鋁盤的制動(dòng)以及釹磁鐵沿金屬板構(gòu)成的斜面下滑這3個(gè)實(shí)驗(yàn)，因此在設(shè)計(jì)方面存在一定程度的重復(fù).

4)發(fā)展性：上述演示實(shí)驗(yàn)不利于進(jìn)一步拓展和提高學(xué)生對(duì)原理的深層次理解.

基于以上原因，設(shè)計(jì)了多功能電渦流演示儀，其設(shè)計(jì)理念為：在目前相關(guān)研究成果優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，聯(lián)系課標(biāo)要求與物理演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，分別從時(shí)代性、推廣性、創(chuàng)新性和發(fā)展性4個(gè)方面進(jìn)行思考，綜合解決以往演示實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問題. 將該演示儀應(yīng)用于課堂教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，幫助一線教育工作者構(gòu)建層次清晰、邏輯緊密的課程.

2.2 演示儀實(shí)驗(yàn)原理

在電磁設(shè)備中常常存在大塊金屬，當(dāng)這些金屬塊處在變化的磁場(chǎng)中或相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時(shí)可以將金屬看做是由一系列半徑逐漸變化的圓柱狀薄殼組成，每層薄殼自成閉合回路，從而在每層薄殼中產(chǎn)生的電流流線呈閉合渦旋狀，如圖1所示. 將這種金屬導(dǎo)體中的感應(yīng)電流叫做渦電流，渦電流產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)在工程技術(shù)中有著非常廣泛的應(yīng)用.

圖1 導(dǎo)體中的渦流示意圖

磁懸浮、電渦流非接觸制動(dòng)、電渦流非接觸傳動(dòng)和電渦流發(fā)電這4種現(xiàn)象的原理均為電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)，只是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)置上有一定的差異. 將實(shí)驗(yàn)原理圖簡(jiǎn)化為如圖2所示的俯視圖，選取左側(cè)的鋁盤區(qū)域abcd(區(qū)域的大小和形狀可以任意假設(shè))作為研究對(duì)象. 演示儀的4個(gè)懸臂上懸掛的都是磁鐵，磁鐵的極性不確定，為討論問題的方便，先假設(shè)演示儀中靠近鋁盤的磁鐵面均為N極，磁鐵在鋁盤上方，因此磁感線的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?

圖2 電磁阻尼演示

當(dāng)鋁盤由左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過鋁盤的磁通量逐漸增加，根據(jù)楞次定律，abcd中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，產(chǎn)生的安培力會(huì)阻礙鋁盤進(jìn)入到磁場(chǎng)區(qū)域中，磁鐵和鋁盤之間的受力情況如圖3所示. 具體表現(xiàn)為： a. 鋁盤受到向下的斥力F1和與鋁盤運(yùn)動(dòng)方向相反的切向力F2，如圖3(a)所示；b. 磁鐵受到向上的斥力F1′和與鋁盤運(yùn)動(dòng)方向相同的切向力F2′，如圖3(b)所示.

(a) 鋁盤受力情況 (b) 磁鐵受力情況圖3 受力情況

下面分別介紹磁懸浮、電渦流非接觸制動(dòng)、電渦流非接觸傳動(dòng)和電渦流發(fā)電這4種現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)原理.

2.2.1 磁懸浮

采用磁性較弱的磁鐵(對(duì)鋁盤運(yùn)動(dòng)的影響較小)，使其在豎直方向上能夠自由活動(dòng)，水平方向上被固定，如圖4所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消，達(dá)到穩(wěn)定后實(shí)現(xiàn)懸浮.

圖4 磁懸浮懸臂

2.2.2 電渦流非接觸制動(dòng)

采用磁性較強(qiáng)的磁鐵(對(duì)鋁盤運(yùn)動(dòng)的影響較大)，使其被完全固定，即磁鐵既不能在豎直方向上運(yùn)動(dòng)也不能在水平方向上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5所示. 鋁盤將受到豎直向下的力和與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相反的斥力，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與磁極發(fā)生相互作用，阻礙鋁盤的運(yùn)動(dòng). 磁鐵和鋁盤之間的距離越近，阻礙效果越明顯；距離過近時(shí)，鋁盤幾乎不再轉(zhuǎn)動(dòng).

圖5 電渦流非接觸制動(dòng)懸臂

2.2.3 電渦流非接觸傳動(dòng)

采用磁性較弱的磁鐵(對(duì)鋁盤運(yùn)動(dòng)的影響較小)，在兩端磁鐵中間銜接可以轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，這時(shí)磁鐵在豎直方向和水平方向上均能夠自由移動(dòng)，如圖6所示. 磁鐵受到的重力(豎直向下)和與鋁盤之間的斥力(豎直向上)相互抵消，除此之外，磁鐵還受到與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相同的力，從而導(dǎo)致懸臂上兩端磁鐵發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng). 磁鐵與鋁盤之間的距離越近，轉(zhuǎn)速越快.

圖6 電渦流非接觸傳動(dòng)懸臂

2.2.4 電渦流發(fā)電

采用磁性較弱的環(huán)狀磁鐵(對(duì)鋁盤運(yùn)動(dòng)的影響較小)，在環(huán)狀磁鐵中間固定轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上連有簡(jiǎn)易的發(fā)電機(jī)，如圖7所示. 環(huán)狀磁鐵將受到與鋁盤轉(zhuǎn)速方向相同的力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)內(nèi)部的發(fā)電機(jī)發(fā)電，使得發(fā)光二極管發(fā)出明亮的白光.

圖7 電渦流非接觸傳動(dòng)懸臂

3 多功能電渦流演示儀的使用

3.1 演示儀結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，箱體上方左右分別為操縱桿和鋁盤，箱體內(nèi)部有令鋁盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，操縱桿上有4個(gè)懸臂，左側(cè)2個(gè)懸臂依次可演示發(fā)電和制動(dòng)現(xiàn)象，右側(cè)2個(gè)懸臂依次可演示傳動(dòng)和懸浮現(xiàn)象. 根據(jù)演示要求的不同，懸臂上懸掛4塊形狀、磁性不同的磁鐵，用來產(chǎn)生磁場(chǎng). 操縱桿的最上方為把手，轉(zhuǎn)動(dòng)把手可以使旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可分別調(diào)節(jié)4個(gè)懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)至鋁盤的正上方. 把手與下端固定桿之間連有彈簧，通過施加力改變彈簧的形變實(shí)現(xiàn)懸臂的升降. 演示儀的4個(gè)懸臂對(duì)應(yīng)4個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于懸臂和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁盤. 掌握該演示儀的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)原理，即可發(fā)掘身邊的器材自制與該演示儀相同的教學(xué)演示儀器.

圖8 多功能電渦流演示儀

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

3.2.1 電渦流磁懸浮

1)按動(dòng)操縱桿，使磁鐵緩慢靠近鋁盤；

2)開動(dòng)電機(jī)使鋁盤旋轉(zhuǎn)，隨著鋁盤轉(zhuǎn)速增加，磁鐵逐漸懸??；

3)磁鐵懸浮到一定高度時(shí)，將保持在該高度不變.

3.2.2 非接觸電渦流隔離傳動(dòng)

1)開動(dòng)電機(jī)使鋁盤旋轉(zhuǎn)；

2)按動(dòng)操縱桿，使磁鐵緩慢下降；

3)將旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)到鋁盤上方，隨著旋轉(zhuǎn)桿接近鋁盤，觀察到旋轉(zhuǎn)桿也旋轉(zhuǎn)起來.

3.2.3 非接觸電渦流制動(dòng)

1)開動(dòng)電機(jī)使鋁盤旋轉(zhuǎn)；

2)按動(dòng)操縱桿將磁鐵轉(zhuǎn)到鋁盤上方，且使磁鐵逐漸靠近鋁盤，觀察到鋁盤的轉(zhuǎn)速逐漸減小.

3.2.4 非接觸電渦流發(fā)電

1)開動(dòng)電機(jī)使鋁盤旋轉(zhuǎn)；

2)按動(dòng)操縱桿將電渦流微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)到鋁盤上方，并使其逐漸靠近鋁盤，觀察到微型發(fā)電機(jī)迅速轉(zhuǎn)動(dòng)，并立刻發(fā)電，使得發(fā)光二極管發(fā)出白光.

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于鋁盤轉(zhuǎn)速較高，懸臂上的各裝置不能緊貼鋁盤，以防裝置發(fā)生摩擦而損壞.

4 多功能電渦流演示儀的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在課堂教學(xué)中，采用多功能演示儀演示與電渦流相關(guān)的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，能夠產(chǎn)生如下效果：

1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯直觀，輔助物理課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣. 演示儀涉及的4個(gè)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在日常生活中不常遇到的，但在日常生活中又有一定的應(yīng)用，因此通過教師引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)前先獲得一定的感性認(rèn)知.

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠讓學(xué)生感到新奇、有趣，進(jìn)而使學(xué)生在頭腦中形成關(guān)于渦流的物理表象，并意識(shí)到用已有的知識(shí)基礎(chǔ)不能夠解釋上述現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，為后面的渦流概念和應(yīng)用的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).

2)結(jié)合了楞次定律、渦流和電磁阻尼的原理，幫助學(xué)生完善物理概念的建構(gòu). 渦流是學(xué)生構(gòu)建電磁場(chǎng)理論的重要鋪墊，是完善電磁場(chǎng)理論較為重要的環(huán)節(jié). 如果學(xué)生不能形成對(duì)物理概念和物理規(guī)律的完整認(rèn)知，將可能誤認(rèn)為物理概念和物理規(guī)律是零散的、毫無邏輯的知識(shí)點(diǎn).

課堂教學(xué)中，教師可以結(jié)合多功能電渦流演示儀講解渦流及其成因、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容，幫助學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)渦流概念的理解，并用渦流和電磁感應(yīng)的原理正確解釋日常應(yīng)用，從而達(dá)到物理概念提煉與升華的目的.

3)緊密聯(lián)系電渦流在現(xiàn)代工程技術(shù)中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)STSE(科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境)的關(guān)系，增強(qiáng)其掌握科學(xué)知識(shí)的責(zé)任感.

新課程改革后，高中物理課程在內(nèi)容上更加注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，在教學(xué)中展現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學(xué)思想尤為重要. 本演示儀的4個(gè)現(xiàn)象是現(xiàn)代生產(chǎn)生活應(yīng)用中會(huì)涉及到的內(nèi)容，教師可以以此為基礎(chǔ)，向?qū)W生介紹一些具體的應(yīng)用案例，例如：磁懸浮列車、渦流制動(dòng)器等，讓學(xué)生意識(shí)到科學(xué)研究和應(yīng)用科學(xué)技術(shù)為生活帶來的便利，以及為國(guó)家的綜合國(guó)力提升帶來的重要價(jià)值，從而促進(jìn)學(xué)生掌握科學(xué)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生建設(shè)祖國(guó)、推進(jìn)科技發(fā)展的責(zé)任感.

5 結(jié)束語

通過對(duì)高中渦流演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作了多功能電渦流演示儀，以更好地幫助學(xué)生掌握渦流的相關(guān)知識(shí)，構(gòu)建完整的電磁學(xué)理論體系. 同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)演示可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的觀察能力，完善學(xué)生物理概念的建構(gòu)，為學(xué)生物理觀念的形成奠定了基礎(chǔ)，并增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科的動(dòng)力，從而達(dá)到優(yōu)化教學(xué)的效果.