楞次定律教學一體化演示儀

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文_康飛燕

（廣西壯族自治區梧州市岑溪市第一中學）

研究目的

楞次定律是高中物理電磁感應板塊的核心規律，是解析電磁感應現象、研判感應電流變化規律的重要理論依據，在發電機、變壓器、電磁阻尼裝置等各類電磁設備的原理設計與實際應用中發揮著關鍵作用。然而，在教學過程中，楞次定律原理（感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化）晦澀難懂，常規課堂缺少適配的實操教具支撐，導致學生難以厘清內在邏輯、構建具象的物理模型。為此，設計制作了楞次定律教學一體化演示儀，借助可觀察、可操作、可驗證的教學器材，幫助學生直觀理解楞次定律，培養學生物理學科核心素養。

研究過程

發現問題

實驗現象模糊

傳統實驗采用普通條形磁體與線圈組合進行電磁感應探究，由于產生的感應電流信號微弱，不足以驅動發光二極管發光，導致學生無法直觀理解磁場變化與感應電流方向之間的對應關系。

教學模式單一

當前，楞次定律常規教學多采用教師現場演示、學生被動觀摩的授課模式，缺少學生可以動手操作的實驗裝置，難以滿足學生自主探究學習要求。

教具適配性差

傳統教具功能單一，僅能簡單驗證實驗結論，無法開展分組探究活動，難以適配不同學段、不同發展水平學生的差異化學習需求。

材料準備

材料選擇遵循低成本、高性能、易獲取的原則，具體內容詳見表1。

制作與實驗過程

教師演示裝置

教師演示裝置由3件獨立實驗子裝置組成，分別為小球下落快慢比較儀、楞次定律探究儀和增縮減擴探究儀。

小球下落快慢比較儀截取長度、內徑規格完全一致的透明亞克力管與銅管，管口面保持平齊，豎直固定在共用支架上（見圖1）。選取2個規格相同的磁性小鋼球，從2根管道頂端同一高度同時釋放，對比觀察小鋼球的下落速度與落地時長。實驗結果表明，磁性小鋼球在銅管內的下落速度小于在透明亞克力管中。這是因為磁性小鋼球在銅管內下落時，磁通量的變化會使管壁內產生感應渦流，感應渦流激發的感應磁場會阻礙原磁場的相對運動，產生的電磁阻尼減緩了小鋼球的下落速度；而亞克力管為絕緣材質，無法產生感應渦流，小鋼球僅受重力作用做自由落體運動，下落速度更快。該實驗現象對比鮮明，適用于楞次定律新課導入演示實驗，以激發學生的學習興趣。

圖1 小球下落快慢比較儀

楞次定律探究儀以線盤為線圈支撐骨架，在線盤外壁均勻密繞500匝直徑0.5?mm漆包線制成感應線圈；線圈兩端剔除導線表層絕緣漆膜，各預留10?mm裸線段作為外接引線。線圈輸出端反向并聯紅、藍發光二極管。感應回路串聯微電流傳感器，傳感器經由USB接口與計算機直連，可實時采集回路電流數據、動態繪制“電流-時間”變化波形（見圖2）。實驗操作時，將15?mm×10?mm圓柱形強磁體的N極或S極向線圈中插入或從線圈中抽出，同步觀測計算機終端顯示的實時電流波形，結合發光二極管的顏色切換現象，探究感應電流方向與原磁場磁通量變化的對應規律，實驗結果如表2所示。以15?mm×10?mm圓柱形強磁體的N極為例，當強磁體的N極向線圈中插入時，穿過線圈的磁通量增大，回路產生正向的感應電流，紅色發光二極管被點亮；當強磁體的N極從線圈中抽出時，穿過線圈的磁通量減小，回路產生反向的感應電流，藍色發光二極管被點亮，串聯的微電流傳感器采集的“電流-時間”波形隨之發生正負反向。通過直觀的實驗現象，引導學生自主推導楞次定律。

圖2 楞次定律探究儀

增縮減擴探究儀將2支鋁管并排架設在平行導軌上，30?mm×30?mm圓柱形強磁體懸空置于2支鋁管的正上方（見圖3）。實驗操作過程中，緩慢向下或向上平移強磁體使其逐步靠近或遠離鋁管，觀察2支鋁管的移動方向。實驗現象表明，當緩慢向下平移強磁體使其逐步靠近鋁管時，穿過鋁管的磁通量增大，管內產生感應電流，受電磁力作用，2支鋁管在導軌上相互靠攏以阻礙磁通量的繼續增大；當緩慢向上平移強磁體使其逐步遠離鋁管時，穿過鋁管的磁通量減小，2支鋁管在導軌上相互分離以阻礙磁通量的繼續減小。由此實驗進一步鞏固學生對楞次定律的理解。

圖3 增縮減擴探究儀

學生探究裝置

學生探究裝置由4件獨立的子裝置組成，分別為電磁驅動裝置、神奇的易拉罐裝置、來拒去留小車裝置和飛機彈射裝置。

電磁驅動裝置本裝置以廢舊木板為原料加工拼裝成整體支架，支架中部裝有使用透明亞克力板制作的、可繞中心豎直轉軸轉動的橫向擺桿，擺桿兩端對稱放置方形強磁體；支架底部中心通過懸絲放置閉合鋁框，閉合鋁框懸空放于2塊方形強磁體的中間磁場區域，可在磁力作用下無約束自由轉動（見圖4）。當學生勻速轉動轉軸時，帶動橫向擺桿兩側的方形強磁體一同繞軸旋轉，在閉合鋁框周邊形成旋轉磁場，引起鋁框內的磁通量發生變化，進而使鋁框內部產生感應電流，感應電流激發的磁場會阻礙原磁通量的變化，感應磁場與原磁場之間產生安培力，在安培力的驅動作用下，閉合鋁框跟隨方形強磁體同向同步轉動。

圖4 電磁驅動裝置

神奇的易拉罐裝置本裝置以廢舊木板為底座，將2支廢舊筆芯豎直插入底座左右兩側，同時將2只鋁制易拉罐平穩架設于筆芯之上；底座中部以側壁粘貼圓形磁體的廢舊礦泉水瓶作為旋轉驅動件，瓶體貫穿轉軸可自由轉動（見圖5）。當學生勻速轉動礦泉水瓶時，兩側的鋁制易拉罐也會隨礦泉水瓶同向同步轉動，其原理與電磁驅動裝置相同。

圖5 神奇的易拉罐裝置

來拒去留小車裝置本裝置由廢舊木板、廢舊筆芯、傳動軸、明輪槳組裝的滑行小車與閉合鋁環組成。將閉合鋁環固定于小車平板之上，整車可平穩自由行駛（見圖6）。當將30?mm×30?mm圓柱形強磁體緩慢靠近閉合鋁環時，穿過鋁環的磁通量增大，鋁環內產生感應電流，感應電流激發的磁場阻礙原磁通量的增加，鋁環與圓柱形強磁體相互排斥，閉合鋁環帶動小車向遠離圓柱形強磁體的方向運動，直觀體現“來拒”；當將30?mm×30?mm圓柱形強磁體從靠近閉合鋁環處移開時，穿過鋁環的磁通量減小，感應電流激發的磁場阻礙磁通量的減少，鋁環與圓柱形強磁體相互吸引，閉合鋁環帶動小車跟隨圓柱形強磁體同向移動，直觀展現“去留”。

圖6 來拒去留小車裝置

飛機彈射裝置本裝置以廢舊木板制作的傾斜支架作為底座，在可拆分式變壓器鐵芯上均勻密繞500匝直徑0.5?mm漆包線制成感應線圈并置于木制底座上，將泡沫飛機尾部用閉合鋁環斜向固定于線圈上（見圖7）。在線圈通電與斷電的瞬間，線圈周圍會形成急劇變化的磁場，變化的磁通量使閉合鋁環內部產生感應電流，由感應電流激發的磁場阻礙原磁通量的增加，產生強大的斥力推動閉合鋁環，進而帶動泡沫飛機完成彈射。

圖7 飛機彈射裝置

系統調試

為確保楞次定律教學一體化演示儀能滿足課堂教學的實際需求，在教師演示裝置與學生探究裝置制作完成并進行初步實驗后，按“穩定性—現象清晰度—數據準確性”三級標準，主要對楞次定律探究儀開展系統調試工作。

穩定性測試重復進行“條形磁體插入/（抽出）線圈”實驗50次，記錄線圈、微電流傳感器、發光二極管的運行狀態，確保無部件損壞，裝置連續工作無故障。

現象調試調整條形磁體的插入速度，確保紅、藍發光二極管亮暗切換清晰，無卡頓或誤亮現象。

數據校準通過電腦端數據采集軟件，校準微電流傳感器精度，使電流隨時間變化的圖像能準確反映磁場變化規律。

該套裝置適配課堂、科普等多場景，既可作為學科實驗工具突破教學難點，也可作為科普互動項目讓學生自主體驗。多班級試用后，學生在電磁感應模塊的知識點正確率、課堂參與度等方面顯著提升（見表3）。未來，將從以下3個方面進一步優化完善：功能上，可引入Arduino配合霍爾傳感器和LCD屏幕，實現數據自動采集與分析；內容上，可結合信息技術、工程設計等內容，開發跨學科項目式學習課程；資源上，開發詳細的裝置制作與使用手冊及視頻教程，便于更多教師使用。

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來源 | 《中國科技教育》2026-3

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜