自制电磁阻尼、电磁驱动实验器（系列），本文主要内容关键词为：电磁论文,阻尼论文,系列论文，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、教具装置图（见图1～图5）
二、仪器的特点及用途
①选用非磁性材料做支架，克服了铁架台做实验时磁铁与铁架台的立柱、底座等相吸的缺点。
②取材容易，加工制作简单，操作方便，趣味性强，实验现象明显，可反复实验，兴旧利废，适于推广自制。
③实验的可视性强。图2中改变常规研究方法，从相对运动的角度，将带磁铁的小人作为研究对象，实验现象非常明显。在电磁驱动中，摆幅很大（“摆角”能达到30°以上）；在电磁阻尼中，根本不需要用秒表等工具计时对比，底下放铝盘的“摆”在一个周期内就会停下来。不同材料、不同厚度、完整与梳状圆盘的对比实验，更凸显了实验效果，增加了物理内涵。
④使用同样的装置，做不同的操作，直观地说明电磁驱动和电磁阻尼的物理本质相同，但是应用的目的不同。可以根据教师和学生的需要变换操作方式。既可以用作教师演示的仪器，也可以作为学生分组探究的体验型仪器。
①在高中物理教学中，电磁感应、磁场的许多实验都要用到磁铁，但磁铁与铁架台的立柱、底座等相吸，给实验的进行带来很大的麻烦，特别是使用强磁铁时，经常因为磁铁和立柱等的猛烈撞击而撞坏磁铁。
本教具自制了一个“非磁性”架台（见图1），代替原有的铁架台，给后续电磁感应实验的进行提供了很大的方便。图2可以演示电磁驱动、电磁阻尼，通过不同厚度铝盘实验，让学生在“涡流”中，进一步理解“电阻”这一概念。图3可以演示电磁驱动、电磁阻尼。图4可以演示电磁驱动、电磁阻尼。通过完整铝片和梳状铝片的对比实验，帮助学生认识减小涡流的方法，说明变压器铁芯为什么由许多硅钢片叠加而成。图5是磁阻车模型，可以模拟“磁控健身车”的“磁阻”原理。把物理知识的学习与生活生产实际结合起来，拉近了学生与物理的距离。
②本教具可以在高中物理选修3-2中讲《楞次定律》一节时使用。因为操作方式多样，现象非常明显，趣味性强，易引起学生的兴趣。可用该教具“引入”新课，也可在课中理解某一问题时应用（例：来者拒，去者留），还可以变换操作方式，用该教具结束本节课。
③本教具也可以在高中物理选修3-2中讲《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》一节时使用，既可以演示电磁阻尼现象，也可以演示电磁驱动现象，还可以采用不同的操作方式，帮助学生分析、理解本节课后“问题与练习”中的多个题目。
三、制作材料
长60cm直径1.3cm的硬PVC塑料棒1根，长25cm直径1cm的铝棒1根，6cm×2cm×2cm的硬PVC塑料1块，20cm×15cm×2cm的硬PVC塑料板1块，铝螺钉2个，直径1cm的钕铁硼圆柱形强磁铁4枚，装中药丸的塑料外壳1个，直径25cm厚2mm的铝盘3个，直径25cm厚1mm的铝盘1个，直径25cm的木盘1个，内径5.5cm外径6.5cm厚1cm的环（完整铝环、开口铝环、塑料环）各1个，软弹簧1根，直径2cm的钕铁硼圆柱形强磁铁2枚，3cm×2cm的不锈钢方管80cm，直径8mm的螺钉2个，废旧感应起电机1台，蹄形磁铁1个，完整铝片和梳状铝片各1个，小螺钉、细线、彩色丝袜各若干，塑料泡沫适量，胶若干。
四、制作方法
①制作实验用非磁性支架。截取一段长60cm,φ=1.3cm的硬PVC塑料棒，把棒的下端加工成φ=0.8cm的螺纹，作为立柱；在6cm×2cm×2cm的硬PVC塑料块上交叉钻两个孔，一个孔φ=1cm，能让横梁刚好插入，另一个孔φ=1.3cm，能让立柱刚好插入，两处各自有紧固螺钉；在长25cm，φ=1cm的铝棒上靠右侧钻两个φ=3mm、间隔约10cm的螺纹孔，作为横梁。两螺纹孔穿入适当长度的细线，用铝螺钉固定，把横梁用夹子固定在立柱上；用20cm×15cm×2cm的硬PVC塑料板做底座，底座上偏离中央位置钻一个φ=1cm的螺纹孔，刚好能使立柱旋入孔内，固定立柱。组装好的图见图1。
②制作小人。把装中药丸的空塑料外壳打开，装入一枚钕铁硼圆柱形强磁铁，在塑料外壳外相应位置也放一枚磁铁，两磁铁会吸紧，调整好磁铁的位置后，盖好中药丸的塑料外壳，作为小人的身体；用比该塑料外壳小的塑料泡沫小球做小人的脑袋，用彩色丝袜对其装饰，画上眼睛等。注意：这种中药丸外壳的直径一般2cm左右，效果很好；如果用其他的包装壳，要挑小的，能打开又能方便盖上的。
③制作圆环。制作3个内径5.5cm、外径6.5cm、厚1cm的圆环（分别是完整铝环、开口铝环、塑料环），给各圆环装上手柄，可以拿在手上，也可以固定在支架上。
④铝盘和木盘分别用旧的力矩盘中的铝圆盘和木圆盘，把其中的一个铝盘沿半径方向加工成梳状；软弹簧用螺旋弹簧组中的弹簧。
⑤制作“磁阻车模型”。拆解废旧感应起动机，留下底座、手柄及连杆、中间的轴（配套）、一套皮带轮、螺丝等；在直径25cm厚2mm的铝盘上按照原来起电机起电盘上面孔的位置、尺寸用钻打4个孔，用拆下的螺丝等照起电盘那样把铝盘与铜片固定好，穿过中间的轴，装在原来起电机的位置上，装好手柄和皮带轮等，转动手柄，铝盘能正常转动；用3cm×2cm的不锈钢方管焊一个高30cm的U型架，在其两边上端2cm处各打一个直径8mm的孔，分别装上直径8mm的长螺钉，再在两个螺钉相对的面上分别固定一枚强磁铁（注意磁铁的极性），最后把U型架固定在底座上，且让磁感线垂直盘面，让磁铁靠近铝盘边缘，不要离铝盘中心太近。
说明：该教具可以做两个小人，两个实验用支架，以便进行对比实验；整个教具用新材料制作当然更美观，但是从节约资源方面考虑，许多配件都用的是废旧材料。
五、使用方法
1.用铝盘、木盘实验（见图2）
①演示电磁驱动：把支架放在水平桌面上，按图2组装好仪器。调整小人，使小人下面的磁铁与铝盘（2mm厚）的距离小于1cm。用手推拉铝盘，发现小人也随着摆动起来；改用木盘，小人不摆动。
②演示电磁阻尼：把支架放在水平桌面上，按图2组装好仪器，调整小人，使小人下面的磁铁与铝盘（2mm厚）的距离小于1cm。在小人下方放上铝盘，把小人拉离平衡位置，释放，小人很快就停止摆动；在小人下方放上木盘，把小人拉离平衡位置（拉离同样角度），释放，小人需较长时间才停止摆动。如果有两套支架、小人，可以同时用铝盘和木盘进行对比实验，效果更好。
用两个半径相同、厚度不同的铝盘（2mm厚、1mm厚）做对比实验，发现产生的现象不同，分析原因在“涡流”中，进一步理解“电阻”的概念。
用半径相同、厚度相同（2mm厚）的完整铝盘和梳状铝盘做对比实验，发现产生的现象不同，分析原因，体会为什么变压器铁芯不是整块的，而是由许多硅钢片叠加起来的。
说明：装置中的圆盘完全可以用一小窄条代替，同样能得到明显的实验现象。我之所以用这么大的圆盘是因为刚好有废旧的力矩盘，拿来直接就用了。这样可以节约资源，还可以用在其他的实验上。
2.用铝环、塑料环实验（见图3）
①演示电磁驱动：把支架放在水平桌面上，按图3组装好仪器，调整横梁，使小人距离支架的底座较远些。手拿铝环，让小人和铝环的中心轴线尽量重合。用手上下移动铝环，发现小人也随着振动起来；改用塑料环进行对比实验。
②演示电磁阻尼：把支架放在水平桌面上，按图3组装好仪器，调整横梁，使小人距离支架的底座较远些。固定铝环，让小人和铝环的中心轴线尽量重合。把小人向下拉离平衡位置一段距离，释放，小人很快就停止振动；改用塑料环进行对比实验。
3.用完整铝片、梳状铝片实验（见图4）
①演示电磁驱动：把支架放在水平桌面上，在支架的横梁上挂上两个铝片，在梳状铝片上装上强磁铁，让梳状铝片不断摆动，可以看到完整铝片也随之摆动起来。
②演示电磁阻尼：把支架放在水平桌面上，在支架的横梁上挂上两个铝片，在梳状铝片上装上强磁铁，把完整铝片拉离平衡位置，放手，可以看到完整铝片很快就停止摆动。
③演示变压器铁芯为什么用许多硅钢片叠加而成：在U型磁铁的两个相对面分别吸一块强磁铁（注意极性），放在支架底座上，在支架的横梁上挂上两个铝片，调节位置关系，使磁感线垂直穿过铝片面，且两个铝片离两个磁铁的距离尽量相等。把两个铝片同时拉离平衡位置，放手让它们摆动，观察发生的现象，分析原因，从而了解减小涡流损失、防止涡流危害的方法之一，明确变压器铁芯为什么用许多硅钢片叠加而成的原因。
4.用磁阻车模型实验（见图5）
演示电磁阻尼，模拟“磁控健身车”的“磁阻”原理：把磁阻车模型放在水平桌面上，调节两个螺钉，让螺钉上两个强磁铁之间的距离稍远点，转动手柄，体会所用力的大小；逐渐减小两个磁铁之间的距离，以同样的转速转动手柄，体会所用力大小的变化。从中分析涡流大小的变化，分析磁控健身车的磁控原理。
（感谢北京四中刘彬生老师对本教具设计制作的指导和帮助。）