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利用发光二极管演示电磁感应科学小实验

有项非常简易的实验常被用来演示电磁感应。此实验只需:长度约150公分的金属圆管(铜管和铝管均可,惟铁制者不宜);直径略小于金属圆管内径,延轴向充磁的圆柱状稀土强磁;以及外形一模一样,重量相同的无磁性圆柱体。实验时,垂直悬吊金属管,先将无磁性之圆柱体置于金属管中,任其无拘坠落,此无磁性圆柱体经重力加速,迅即穿过金属管;但圆柱状稀土强磁于金属管中下坠时,在金属管壁靠近磁铁两极处,会产生较明显但方向相反的感应电流,而所有的感应电流,均会使磁铁受向上之力,于是磁铁迅即达到终端速度,缓缓降落。

圆柱状磁铁和无磁性之圆柱体通过金属圆管所费时间差异之大,无须使用任何仪器即能清楚分辨,令人惊奇,所用之器材又简单明了,更鲜明地突显实验之主题,很容易引起学生之注意和好奇,并使学生留下深刻印象。于是这项实验在教学上颇受重视,有不少改进的实验方式被提出,例如:利用“力侦测器”配合计算机测量金属管所受之力随时间变化的情形,以定量测量金属管壁内的感应电流和磁铁之间的交互作用力;或以轻细绳索系住磁铁,将轻细绳索绕过滑轮,当磁铁落下时,根据滑轮转速即可测知磁铁速度随时间变化的情形;或从管口取景,藉摄影器材和适当之照明设备,在与其联机的电视中“转播”磁铁在金属管中凭虚凌空慢慢落下的景象1。

美中不足的是,感应电流出现在金属管壁邻近不断下坠的磁铁两极处,不容易设计适当的装置加以侦测。为此,我们将两导通方向相反的发光二极管并联,再将其串接箍在压克力圆管外之感应线圈1。学生可以目睹,磁铁在透明压克力管中坠落而通过感应线圈时,并联的两发光二极管各自分别发光,非但显示感应电流之发生,且显示感应电流之方向;在此同时,学生握持压克力管,也可感觉到感应电流和磁铁之间的交互作用力,如下图一所示。

利用发光二极管演示电磁感应科学小实验

图一,原始装置之实物摄影,只用两个导通方向相反的发光二极管并联

注:原文为繁体,本站发布时未翻译,但为方便读者阅读,直接将繁体转为简体。

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周鉴恒博士专栏

这项实验装置还可再改良:(一)以导通方向相反的方式并联的发光二极管数目可以增加,图二为其电路之示意图。只要线圈之电阻够小,在稀土强磁运动速度不快的实验要求下(若磁铁速度太快,肉眼不易分辨两组发光二极管发光之先后),即能造成发光二极管两端约2伏特之电位差,则发光二极管之数目可以酌增,图三所示之实物,每组发光二极管多达四个,实验时大幅增加此装置之视觉效果。(二)因为感应线圈串接发光二极管之总电阻,远大于铝管或铜管之管壁,虽然以手握持压克力管时,确能感觉到感应电流和磁铁之间的交互作用力,惟此力尚不足以明显阻缓磁铁于压克力管中垂直下坠之速度。图四之设计,利用较磁铁稍轻的配重,使磁铁通过感应线圈时所产生的感应电流,可以明显减缓磁铁落下之速度。对比感应线圈断路(即无感应电流)时磁铁落下之速度,可彰显磁剎车之效应。此外,如图五,简单斜置压克力圆管,亦有相同之效果。

利用发光二极管演示电磁感应科学小实验

图二,并联两组导通方向相反的发光二极管之电路图,每组发光二极管最多可达4至5个

利用发光二极管演示电磁感应科学小实验

图三,两组导通方向相反的发光二极管之实物摄影,视觉效果果然更好

利用发光二极管演示电磁感应科学小实验

图四,配重有助于突显出磁剎车之作用

利用发光二极管演示电磁感应科学小实验

图五,斜置压克力圆管。图中阿拉伯数字代表之意义,与图四同

注释:

1见:周鉴恒,刘源俊,楞次定律(Lenz’sLaw)教学装置之改进,物理教育,1998年第二卷第二期;以及文中所列之参考数据。

责编:刘丽


(原载:东吴大学网站,2000年9月12日)

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