條形磁鐵的插入速度不能太快[文檔資料]

條形磁鐵的插入速度不能太快 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 在物理教科書選修 3-2 第四章第 4 節(jié)中寫到： “ 在向線圈中插入條形磁鐵的實(shí)驗(yàn)中，插入的速度越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電流就越大 ”. 部分年輕教師經(jīng)驗(yàn)不足，課前沒有仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，課堂上用圖 1 裝置演示時，逐漸增加插入速度 .學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度增加到一定程度時，指針的偏轉(zhuǎn)角度沒有增大 .課堂上出現(xiàn)了非常尷尬的局面 . 為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？這要從電流表的工作原理談起 . 電流表內(nèi)部轉(zhuǎn)動 部分的結(jié)構(gòu)如圖 2，電流表的線圈繞在鋁框上，鋁框和指針固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸兩端跟螺旋彈簧連接 .將線圈、鋁框和指針以及轉(zhuǎn)軸作為一個整體稱之為系統(tǒng) .線圈中的電流受到的安培力是系統(tǒng)的動力 (見圖 3).螺旋彈簧的彈力是系統(tǒng)的回復(fù)力 .鋁框在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流受到的安培力對轉(zhuǎn)動起阻尼作用，使指針不會出現(xiàn)來回?cái)[動的現(xiàn)象 . 動力矩的表達(dá)式為 M 動 =n1BiS(1) 其中 n1 為電流表線圈的匝數(shù)， B 為輻向磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度， i 為線圈中的電流強(qiáng)度， S 為線圈回路 (或鋁框回路 )的面積 . 回復(fù)力矩的 表達(dá)式為 M 回 =k(2) 其中 k 為常數(shù)，由螺旋彈簧的力學(xué)性質(zhì)決定， 為指針轉(zhuǎn)過的角度 . 阻尼力矩的表達(dá)式為 M 阻 =B2S2r(3) 其中 r 為鋁框回路的電阻， 為鋁框轉(zhuǎn)動的角速度 . 當(dāng)給線圈通入恒定電流時，動力矩使系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)動，在回復(fù)力矩和阻尼力矩的共同作用下，系統(tǒng)很快停下來，指針指向某個位置 .此時系統(tǒng)的角速度 為零，阻尼力矩為零，動力矩跟回復(fù)力矩相平衡，由 (1)、 (2)式得 i=kn1BS(4) 由 (4)式可知，線圈中的電流強(qiáng)度跟指針轉(zhuǎn)過的角度成正比，即指針轉(zhuǎn)過的角度越大，線圈中的電流強(qiáng)度就越大 . 要強(qiáng)調(diào)指出， (4)式只適用于線圈中通入恒定電流的情況 .用圖 1 裝置做演示實(shí)驗(yàn)時，線圈中的電流不可能是恒定值 .下面分兩種情況討論： (1)當(dāng)磁鐵的插入速度很慢時，線圈中的感應(yīng)電流較小，動力矩的作用時間較長，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的角速度較小 .根據(jù)式(3)，阻尼力矩很小，系統(tǒng)可近似地視為平衡狀態(tài)， (4)式近似成立，此時增加磁鐵的插入速度，指針的偏轉(zhuǎn)角度會增大 . (2)當(dāng)磁鐵快速插入時，線圈中的感應(yīng)電流很大，動力矩的作用時間很短，系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個過 程： 動力矩的瞬時加速過程； 阻尼力矩與回復(fù)力矩共同作用的減速過程 . 特征，只有讓學(xué)生有親身感受才能有利于教學(xué)的開展 . 在 “ 慣性 ” 知識教學(xué)中，學(xué)生難于理解任何物體具有保持原來運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)，往往只是簡單的模仿解釋生活現(xiàn)象 .如圖 5 中，小車上的容器 B 里面放一鐵球 A： (1)當(dāng)小車 B 由靜止突然啟動時， A 球會怎樣運(yùn)動？為什么？ (2)A、 B 由勻速運(yùn)動時， B 車突然停止運(yùn)動， A 球會怎樣運(yùn)動？為什么？ 假如把 B 車容器中裝上水， A 為一氣泡： (1)當(dāng)小車 B 由靜止 突然啟動時， A 氣泡會怎樣運(yùn)動？為什么？ (2)A、 B 由勻速運(yùn)動時， B 車突然停止運(yùn)動，氣泡 A 會怎樣運(yùn)動？為什么？ 假如把 B 車容器中裝上水， A 為一鐵球： (1)當(dāng)小車 B 由靜止突然啟動時， A 球會怎樣運(yùn)動？為什么？ (2)A、 B 由勻速運(yùn)動時， B 車突然停止運(yùn)動， A 鐵球會怎樣運(yùn)動？為什么？ 在不同情境下， A 物體有不同的相對運(yùn)動，深究其原因就能使慣性概念清晰化 . 再如講解光的全反射現(xiàn)象，提供一個燒杯和一個小燒瓶： (1)先把空小燒瓶中放在空燒杯里和外， 讓學(xué)生觀察觀察小燒瓶亮度的變化 (2)把小燒瓶中裝滿水放在空燒杯里和外，讓學(xué)生觀察觀察小燒瓶亮度的變化 (3)把小燒杯中裝適量的水放在空燒杯里和外，讓學(xué)生觀察觀察小燒瓶亮度的變化 (4)把小燒瓶中裝滿水放在裝有適量水的燒杯里和外，讓學(xué)生觀察觀察小燒瓶亮度的變化 通過不同物理?xiàng)l件的變化，讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象和規(guī)律，從而掌握物理現(xiàn)象的本質(zhì) .教師設(shè)計(jì)情境讓學(xué)生體會物理感受，參與課堂教學(xué)，讓學(xué)生成為概念學(xué)習(xí)的主人，讓學(xué)生真正參與到概念的建構(gòu)過程中來，才是提高效率的關(guān)鍵 .大量做 題無法讓學(xué)生體會到學(xué)習(xí)物理的快樂，更無法提高物理能力，速成的東西只能曇花一現(xiàn) .恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用對比演示實(shí)驗(yàn)，可以把知識技能的學(xué)習(xí)和發(fā)展學(xué)生的觀察能力、抽象思維能力、思維創(chuàng)造能力以及科學(xué)態(tài)度有機(jī)結(jié)合起來，可以逐步提高學(xué)生觀察問題、分析問題和解決問題的能力 .充分開發(fā)對比演示實(shí)驗(yàn)，會讓物理教學(xué)更具生動性、趣味性，使學(xué)生從畏學(xué)變?yōu)闃穼W(xué) . a.瞬時加速過程 設(shè)條形磁鐵的插入時間為 t ，穿過螺線管的磁通量變化為 ，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和歐姆定律， (1)式變換為 M 動 =n1n2BSRt, 式中 n2 為螺線管的匝數(shù)， R 為螺線管和線圈的總電阻 .動力的沖量矩為 #8226；t=n1n2BSR(5) 由于插入時間 t0 ，系統(tǒng)在瞬間獲得角速度 0 ，系統(tǒng)轉(zhuǎn)過的角度 t=0. 回復(fù)力的沖量矩為 #8226；t=k #8226；t=0 ， 電磁阻尼的沖量矩為 #8226；t=B2S2r #8226；t=B2S2r #8226；=0. 根據(jù)角動量定理有 #8226；t=I0 -0(6) 式中 I 為系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)動慣量 . 由 (5)、 (6)兩式得 0=n1n2BSIR(7) 可見，對于給定的實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)獲得的角速度 0為定值，跟磁鐵的插入速度無關(guān) . b.減速過程 由于系統(tǒng)獲得的初始角速度 0 為定值，在回復(fù)力矩和阻尼力矩的作用下，根據(jù)能的轉(zhuǎn)化與守恒，指針偏轉(zhuǎn)的最大擺角 也為定值，跟磁鐵的插入速度無關(guān) . 綜合以上分析，當(dāng)磁鐵的插入速度較慢時，增加插入速度，指針的偏轉(zhuǎn)角度會增加；當(dāng)磁鐵的插入速度很快時，增加插入速度，指針的偏