用光电传感装置改进楞次定律实验

    肖政

    

    

    摘? ?要：利用51单片机、TCRT5000红外反射传感器、发光二极管、强磁铁等元件制作了楞次定律实验演示器，该装置设计新颖、操作简单，利用本装置的实验结果总结出楞次定律的内容，更加直观，更具有说服力。

    关键词：电磁感应;光电传感;楞次定律

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0054-2

    1? ? 引? ?言

    《楞次定律》是人教版高中物理選修3-2第四章《电磁感应》第三节的内容，是电磁学内容的重要组成部分，也是考试中的重难点。在教学过程中，一般都是用教材上的两个演示实验，从而总结出楞次定律的内容。但是，这两个演示实验，学生理解起来有困难。笔者从材料和制作方法上进行了全方位创新和改进，制作出“光电式楞次定律演示器”的实验组合装置。

    2? ? 教材中的演示实验[1，2]

    （1）在做“铝环”演示实验时，由于要快速插入（或抽出），尽管闭合铝环出现了一定的转动，由于铝环质量较小，导致有部分学生认为是磁铁快速移动的过程中空气对流产生的结果。

    （2）在用磁铁插入（或抽出）线圈中看电流表指针的偏转方向来判断感应电流的方向的演示实验中，电流表的指针偏转不明显，导致班上绝大多数学生都看不清楚。

    （3）如果磁铁插入（或抽出）线圈中的速度不够快，电流表指针偏转不明显或者几乎就不偏转。整个操作过程比较复杂，器材较多，携带不方便，耗时也较多。

    3? ? 制作流程及装置图说明

    3.1? ? 制作材料

    单片机、TCRT5000红外反射传感器（2个）、LED显示屏、发光二极管（4个）、铁球、磁球、强磁圆柱体、漆包线、铜管、塑料杯、透明PVC管、4节5号电池、木板、导线若干。

    3.2? ? 制作工具

    电烙铁、电钻、钢锯、电脑、螺丝刀等。

    3.3? ? 制作流程

    实验装置如图1所示。

    （1）用两根50 cm长的方形木条、40 cm×30 cm的薄木板以及底座木板做成固定支架，并分别在底座上方固定塑料杯。

    （2）用C语言编写光电计时程序并烧录到单片机中[3，4]。

    （3）将TCRT5000红外反射传感器1、传感器2、单片机、LED显示屏、晶振、电源开关、USB串口、电池盒等元件焊接在9 cm×15 cm的电木板上。

    （4）取一根1 m长、内径为18 mm的直铜管，并用橡皮筋固定在支架木板上，分别将传感器1、传感器2固定在铜管的上下两端。

    （5）取一根1 m长、内径为24 mm的PVC透明管，并用橡皮筋固定在支架木板上，并用漆包线按顺时针缠绕制成线圈1和线圈2固定在PVC管的适当位置处。

    （6）将蓝色和白色的发光二极管反接，分别连接在线圈1和线圈2上。

    4? ? 该装置的优点

    （1）利用铁球和磁球在铜管中下落时间长短的比较，直观地体现了楞次定律中“来拒去留”的现象。

    （2）利用光电传感器记录下两个小球的下落时间和遮光时间（LED显示屏上的Time1显示的是小球从光电传感器1到光电传感器2的时间，Time2显示的是小球下落过程中对光电传感器2的遮光时间）。（实验数据见表1）

    对于铁球的下落，可以用自由落体运动规律：h=■gt2，带入实验数据得：g=9.79 m/s2，再由机械能守恒定律：mgh=■m（■）2，带入实验数据，可以认为铁球的下落过程机械能是守恒的。对磁球的下落过程，从实验数据来看，重力势能的减少量明显大于动能的增加量[5-7]。

    （3）利用蓝色和白色两种颜色的发光二极管（发光二极管具有单向导电性，并且二极管是反接的）的发光情况判断电流方向发生了改变。

    （4）在塑料杯中放入湿纸巾，既避免小球下落后乱跳，又可以防止磁球摔坏，还解决了操作复杂、操作时间过长、不方便携带的问题。

    5? ? 使用效果

    该光电式楞次定律演示器，通过师生们的实际使用都认为适用性很强，得到师生好评，操作简单，使用方便，便于携带，任何学生都会使用。在使用中，不会出现实验不成功的现象。读数直观易懂，实验现象明显，科学性强，具有较强的说服力，学生可以更好地理解楞次定律的内容。

    6? ? 注意事项

    该实验装置中使用的强磁铁为钕铁硼磁铁，磁性很强，在使用的过程中应远离手机、银行卡等，以免被磁化。磁体易粉碎，在操作过程中不要将磁铁直接与地面发生碰撞。光电传感器的计时原理是当物体完全通过光电传感器时开始计时，到物体遮住第二个光电传感器时停止计时，这期间若第一个光电传感器被遮挡，计时就清零，所以在释放小球后，手要迅速拿开，防止光电传感器被再次遮挡。

    参考文献：

    [1]王喜云.中学物理自制教具研制实例[M].长沙：中南大学出版社有限责任公司，2017.

    [2]潘学军.物理实验方法与演示教具制作[M].北京：科学出版社，2017.

    [3]庄燕文.Dev-C++ 基础教程[M].北京：清华大学出版社，2013.

    [4]杨欣，王玉凤，刘湘黔. 51单片机应用从零开始[M].北京：清华大学出版社，2010.

    [5]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2015.

    [6]唐挈.高中物理实验有效教学设计及案例[M].北京：北京师范大学出版社，2013.

    [7]高春海，黄军武.高中物理实验指导与拓展探究[M].石家庄：河北人民出版社，2013.

    （栏目编辑? ? 王柏庐）