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多功能“电磁感应”教学实验套装的设计与开发 王勇 上海市位育中学 X 关注成功！ 加关注后您将方便地在 我的关注中得到本文献的被引频次变化的通知！ 新浪微博 腾讯微博 人人网 开心网 豆瓣网 网易微博 摘????要： 电磁感应是近代物理电气化革命的里程碑, 其核心内容是麦克斯韦电磁场理论。高中阶段主要探讨了磁感应强度、磁通量、磁通量变化 (率) 以及感应电流的传输等知识内容。本文设计并开发了一种套装组合实验模块, 简称“EP”盒子 (Electromagnetic induction combination Packages) 。其主要由三部分组成:输入端模块, 包括线性非线性微型电源、MP3音频信号源、Mic振动源等;实验观测端模块, 包括多功能微型轨道、可吸附式线圈组合、多变弹性线圈以及磁感线模拟模块;输出端模块, 包括DIS (朗威、威妮尔等) 多电量传感器、微型扬声器、简易示波表、微光二极管等。教师和学生通过“EP”盒子可以在多功能实验轨道上演示原副线圈感应现象的变化、无线传送音频信号、弹性导电线圈对磁通量研究等, 自行完成教学要求的实验和自主开发的探究实验。这套实验套装设计的主要特点是:方便、生动、自主、可延伸。 关键词： 电磁感应; 磁通量; “EP”盒子; 电磁感应现象在高中物理教学中最为抽象但又最为生动的物理知识之一, 学生对磁通量、电磁感应现象、电磁场体系这些与生活密切相关但又看不见摸不着的抽象理论充满迷惑和好奇。为了能生动、有效、直观的将电磁感应中一系列的知识点生动、直观的帮助广大师生学习和探究, 发掘学生自主探究、发现问题、解决问题的能力, 文中自行设计开发了“电磁感应实验”套装模块 (EP) 。不仅是教具、更是学生便于携带的课中课后的实验伙伴。 一套装的模块硬件设计及其应用 基于电磁感应主要为感应线圈、输入输出端及多功能实验轨道, 各个模块设计基本原则是便捷、直观。 (一) 线圈可插拔轨道卡座设计 采用多匝 (200匝) 漆包线, 规格截面积0.5mm, 绕制在8cm×8cm PVC线圈框架上。线圈侧边镶嵌有磁性导电片。并且在线圈下方有线圈卡座接线柱。当线圈插在实验轨道平台上的副接线柱上时标志接通。如示意图a。 创新点:线圈可以直接插拔在轨道上, 便于实验连接, 并且轨道上有多排接线柱所以可以改变线圈之间的相对位置能比较定量的做分析。 (二) 可吸附式多级线圈串联组合设计 由于匝数N的客观存在, EP给予学生和老师不同匝数的线圈若干个, 并且设计了能定量分析的线圈一个个吸附在一起形成整数倍匝数的串联线圈。在每个单级线圈的侧边都有吸附导电磁铁, 只要将红色和黑色相应颜色吸附在一起就能比较牢靠的组成串联多匝数线圈, 如示意图b。 创新点:线圈的匝数问题得到了简单方便的解决, 由于吸附式比较轻巧, 学生教师容易实验直观增加了趣味性;创新在与能给学生更多的自主探究空间。 (三) 360可旋转线圈平台 由于需要线圈之间正对面积的变化来探究电磁感应现象, 需要线圈转动。因此在轨道试验台上设计了360度角度的旋转线圈平台, 这样可以更多更自主的探究面积S的变化带来了实验现象, 如示意图c。 创新点:能360度旋转线圈, 改变原副线圈正对的有效面积, 为磁通量的认识提供直观的素材。旋转台设计了导电接线柱和导电轨道良好的接触, 能解决磁通量、磁通量变化量等物理概念的理解。 (四) 可变形弹性线圈结构设计 面积S的变化对磁通量的概念理解及其探究发现有着重要的意义, 学生在实验中可以容易的发现B的变化, 但很难认识到磁通量本质。因此面积s的灵活变化对磁通量改变有着重要意义。下面设一个有弹性金属丝绕制成的线圈, 通过线圈框架的伸缩及时的改变面积, 如图d。 创新点:形象的改变了面积s, 有效的解决了磁通量的概念难点, 突破教学难点和重点。 (五) 可伸缩多功能轨道平台 整个EP套装的核心由多功能可伸缩轨道实验平台构成, 其主要的结构包括铝合金轨道框架、可伸缩轨道滑槽、内置袖珍电流放大器、多排接线柱卡座、输入端音频输入口、输出端输出口、吸附式接线触点以及旋转360度线圈台, 如图e。 创新点:该实验轨道能伸缩, 可以便于携带在EP盒内;多排接触点可以将线圈放置在不同位置, 原副线圈之间的相对位置可以一目了然;多种输入端口, 可以是线性信号输入也可以是非线性信号输入, 可以是音频信号, 也可以是视频信号模拟信号乃至数字信号输入;配合的输出端口多种制式, 可以输出到DIS传感器、输出到音频放大扬声器、输出到可视化设备。 (六) 多种实验输入输出设备 EP套装实验设计了多种实验输入设备, 为学生和教师的自主探究电磁感应实验提供了多种手段。采用了迷你电流源, 可以通过手动调节的TPN025电源;电源可以是直流电