高中物理教学论文 变压器上的电磁感应

用心 爱心 专心1 变压器上的电磁感应变压器上的电磁感应 摘要 摘要 本文利用中学物理实验室中常见的 J2425 型变压器 设计出千人震 跳环 涡流 电磁阻尼和自感等电磁感应实验 有效地支架起了学生的学习情景 使学生意义构建电磁 感应知识 关键词 关键词 变压器 电磁感应 支架 新课程标准要求学生体验物理 进行多样性的学习 同时要求教师尽量开发实验 使 学生在真实的情景中质疑 同化新知识 意义建构自己的知识图式 知识得到顺应 从本 质上讲 教师教学的辅助性材料如实物 是为了帮助学生理解知识 起到支架作用 即常 说的 教是为了不教 由于物理学科的特点 实验是很好的支架 起到十分必要的抛锚效果 电磁感应是高 中教学的一个重点和难点 它有许多令学生难以置信的现象 但不可能像大学那样从微分 方程纯数学推导 这时实验就起到良好的脚手架作用 帮助学生建起 知识 大厦 本人 用中学实验室里常有的 J2425 型变压器做出了很多电磁感应现象实验 1 1 千人震千人震 实验实验 如图 1 所示 绿色线圈接 400 匝 然后串联上开关和干电池 红色线圈接 1600 匝 然 后两根导线分别被 串联 起来的两边人手握着金属部分 当开关接通和断开的瞬间 手 牵着手的学生们会有触电的感受 同时自觉地把手松开 这是互感的原因 但把电池接在 同一线圈上 如图 2 所示 电池也接在红色线圈 1600 匝 当开关接通时 人没有感觉 可当开关断开瞬间 他们突然受到电击 迅速收回双手 这是自感的原因 如果一个人 可以把图 2 改装成图 3 锯条代替开关 当人两手拿锯条来回接触运动时 线圈电流在不 断地变化产生强自感电动势 使人有电击的感觉 同时观察到锯条间出现电火花 所以大 功率用电器的开关应该装在金属壳中 甚至把开关的接触点浸在绝缘油中 避免出现电火 花 用心 爱心 专心2 2 2 发光发光 实验实验 千人震 实验是触觉的感受 利用发光二极管或电表可以形成视觉的电磁感应现象 如图 4 所示 把红色线圈拆出来 把 1600 匝与发光二极管相连 把磁铁插入 或拔出 时 二极管发光 把图 1 2 中的人 图 4 的二极管换成电流表 容易得到感应电流产生的条件 查明线圈的绕向 能判断感应电流的方向 即楞次定律 3 3 跳环跳环 实验实验 装置如图 5 所示 将条形轭铁竖直 磨光面向下 放在 U 形铁芯的一个立柱上 套上 红色线圈及铝环 把线圈 0 800 匝的两端接 220 伏特交流电源 演示时 接通电源 由于线圈中有交变电流通过 在铝环中产生感生电流 感生电流 的方向与线圈中电流方向相反 因而感生电流产生的磁场与线圈磁场方向相反 两者相互 排斥而使铝环跳起 并可悬浮在轭铁上 为防止在通电瞬间铝环跳出 可在轭铁顶上放一 本书或用手挡住 此实验也可以用楞次定律进行解释 接通电源 铝环的磁通量增加 由楞次定律可知 铝环要向磁通量减少的方向运动 则只有向上跳了 用心 爱心 专心3 有这样一道题 如图 6 所示 水平面上有两根平行导轨 上面放两根金属棒a b 当 条形磁铁如图向下移动时 不到达导轨平面 a b将如何移动 图 7 a b金属棒将靠近 其理由与跳环原因一样 本人将图 5 的轭铁和铝环去掉 把图 6 的框架放在铁芯上 设计成图 7 实验 当接通电源时 能清楚地看到a b棒靠近 注意 注意 由于实验时通过线圈的电流强度较大 通电时间一次不要超过 1 分钟 以下用 到 220V 的交流电压都要注意这个条件 不再另述了 4 4 涡流涡流 实验实验 如图 8 所示 把红色线圈 1600 匝 通过家庭电灯用的拉线开关 S 不要用低电压用 的单刀单掷开关 接上 220V 的交流电 条形轭铁与极掌之间留下 0 5 1cm 的距离 因为 极掌是一整块软铁做成 闭合开关 S 所以在极掌铁芯内部产生涡流 并形成涡流电压 将示波器 Y 轴调整在衰减 1 挡或 10 挡 X 轴扫描频率调整在 10 100Hz 范围 Y 轴和地 之间的输入导线可用多用表的表笔 作为探针 Y 轴和地的探针P Q与极掌上不同的两个 点接触 如AO AB AC或CD 在示波器屏幕上都可以看到涡流交流电压的正弦波形 条 形轭铁是硅钢片制成 每一片硅钢片之间是绝缘的 其涡流电流控制在每一片硅钢片的最 小范围内 在条形轭铁的端面检测不到明显的涡流电压波形 用心 爱心 专心4 图 8 断开开关 S 探针P Q仍与上述各点接触则在示波器上看不到涡流电压波形 可知上 面实验所看到的正弦电压波形是极掌中由于电磁感应形成的涡流电压波形 而不是线圈中 220V 交流电压波形 5 5 电磁阻尼电磁阻尼 实验实验 实验装置如图 9 10 所示 将绿色线圈套入 U 形铁芯内 两极掌分别放在侧立铁芯上 方 并使垂直端面相对 距离约 20 毫米 用轭铁压板压紧 把摆架装在压板上 使摆架的 刀承与极掌相对面垂直 再分别将强 弱阻尼摆的口刀放在刀承上 使两摆能在极掌的空 隙间自由摆动 互相不摩擦 不碰撞 线圈用 400 匝 电源接直流 12 16 伏 用心 爱心 专心5 演示时 先不给线圈通电 将两摆偏离平衡位置约 20 度 同时释放任其自由摆动 这 时 可看到两摆不仅衰减很慢而且衰减幅度也基本相同 再给线圈通电 重新使两摆在同 一高度释放使它们摆动 这时可以看到 强阻尼摆迅速衰减并停止摆动 图 9 而弱阻 尼摆则衰减较慢 较长时间仍能摆动 图 10 6 6 感生电场感生电场 实验实验 图 5 中由于线圈通入的是交流 线圈中的磁场是变化 则在它空间产生感生电场 用 导线圈放入其中 感生电场对导线中自由电子就会有力的作用 使电子做定向移到 从而 使灯泡发光 金属发热 所以图 5 铝环压在轭铁中 过一会儿 铝环就会发热 用感应灯 线圈来代替铝环 当感应灯从条形轭铁上方逐步套入时 随着磁通量变化率的增加 感生 电流逐步加大 小灯泡亮度也逐渐增强 小灯泡的额定电压为 2 5V 把图 9 所示的装置去掉阻尼摆及支架 使两极掌间的距离略大于感应灯的口径 接通 电源 交流 220 伏特 把感应灯线圈从上方插入极掌空隙内 当线圈平面与极掌端面平 行时 感生到线圈中的电流强度最大 小灯泡最亮 逐渐旋转线圈 直到线圈平面与极掌 平面垂直时 小灯泡渐渐转暗直至完全熄灭 如将小灯泡两端用导线外接一演示电表 交 流 15 伏或 25 伏挡 从指示数得到感应电压值 7 7 自感自感 实验实验 通电自感现象演示 用心 爱心 专心6 实验电路如图 11 所示 在自感现象演示板上接入装有闭合铁芯的红色线圈 1600 匝 做为电感器L 将示教板插进轭铁压板上 用压紧螺母固定 电源用 J1201 型低压电源直 流稳压 12 伏输出 演示前 先将可变电阻R值调到最大 闭合开关K 再调节R值 使 D1 D2两小灯泡 亮度相同后 将K断开 演示时 闭合开关K 电路接通 电路中电流增加 穿过线圈L 的磁通量增加 从而产生感生电动势 感生电动势阻碍线圈电流增大 使灯泡 D1电路中的 电流的增加速度变慢 因此 可以明显地看到 D1比 D2发亮的时间滞后 如需重复观察上 述现象 最好将a b两点的电源接线互相调换一下极性 以减少铁芯剩磁对实验效果的影 响 断电自感现象演示 实验电路如图 12 所示 电感器L用红色线圈 200 匝 或者用绿色线圈 400 匝 加上铁芯 a b两端输入 6 伏直流稳压电 演示时 闭合开关K 小灯泡正常发亮 当断开K时 线圈L中的电流迅速减弱并消 失 同时引起磁通量的急骤变化 使线圈中产生一个感生电动势 此感生电动势的方向跟 线圈中的电流方向相同 阻碍电路中电流减弱 使电流仍能沿原来方向继续流动一个瞬间 由于感生电动势远高于电源的电动势 结果使灯泡 D1在切断电源的一瞬间发出强光而后熄 灭 电 惯性 演示 图 12 断开K瞬间 线圈产生自感电动势 使线圈的电流在原来的基础上减弱 同时 D1获得一个与原来相反方向的电流 本人把图 11 每条支路中各加入了一个电流表 如图 用心 爱心 专心7 13 所示 电流表用 J0401 型电流表 量程为 1A 左右 当断开K 电流表A1指针