高精电磁感应演示仪的创新设计

摘要

“探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件”是初中物理学科必做的学生实验。传统的灵敏电流表难以捕捉微弱感应电流的变化，人工操作时难以保证导体精准地沿磁感线方向水平运动，学生在探究电磁感应演示现象实验时实验效果不佳，往往难以根据实验数据有效地分析并总结出正确的结论。如导体在沿磁感线运动时，发现电路中无电流或有微弱电流，而在实验中检测到“微弱电流”与理论预期不符。针对这一难题，研发了高精电磁感应演示仪，为学生在探究活动中提供解决问题的实验器材，为初中物理教学创新提供了新思路。

Graphical abstract

关键词

电磁感应 / 高精演示仪 / 自制仪器 / 创新设计

“发电机为什么能发电”是沪粤版物理九年级下册第十七章第三节的内容，学生通过“活动1 让我们自己来发电”和“活动2 拆开发电机”初步感知电磁感应现象，激发探究兴趣，接着，他们尝试用线圈、磁铁等材料开展探究。学生在亲历如表1所示的探究电磁感应现象过程中，加深对感应电流产生条件的理解。

学生发现：导体在垂直或斜向切割磁感线时，闭合电路中会产生电流；而导体静止或沿磁感线运动时，电路中无电流或仅有微弱电流。普通灵敏电流表无法精确测量微弱电流，人工（手动）操作难以保证导体严格沿磁感线运动而被检测出微弱电流。当导体（线圈）沿磁感线运动时，传统实验检测到的微弱电流与理论预期不符。

为显著提升探究电磁感应现象的实验效果，设计并研制出高精电磁感应演示仪，突破传统实验瓶颈。本教具采用先进的技术手段与创新设计理念，使该演示仪能够以高清晰度、全方位的方式展示电磁感应过程中的各种物理量变化，为教师教学提供有力的工具，帮助学生更深入地理解电磁感应原理，同时为科研人员在相关领域的探索提供直观的演示辅助。

1 教具设计原理及思路

如图1所示，高精电磁感应演示仪采用直线电机M₂在直线导轨上让线圈沿磁感线精准运动；线圈切割磁感线产生的感应电流，通过高精电磁感应放大模块，配合微电流传感器和强大的放大电路模块，将微弱感应电流放大万倍并通过LED灯直观显示，同时提供了丰富的实验参数和可调节的组件，可以设计一系列的实验探究活动。这种方法鼓励学生主动探索，培养他们的实验技能和数据分析能力，有效提升了学生对电磁感应规律的认知深度，为项目式学习提供了更精确、更直观的探究工具。

2 制作材料及制作方法

2.1 制作材料清单

制作材料清单见表2。

2.2 制作方法

（1） 自制高精电磁感应放大模块。线圈切割磁感线产生的感应电流，通过单片机U3的运算放大作用，与系统提供的运放电路形成比较，驱动二极管发光，电流放大电路串联于电路中。电路板作为整个演示仪的核心电气连接平台，集成了电流放大电路，负责连接并控制其他电气元件，使它们能够协同工作。电路板上的电路设计实现了对感应电流的放大、传输和显示等功能。如图2所示。

（2） 将直线电机与直线导轨相连接，使线圈能得以水平或垂直精准切割磁感线。大多数改进实验都采用直线机，由于直线电机中鱼眼轴承结构设计的局限性，无法保证在曲线运动变直线运动时，能够精准地在水平方向运动。增加了直线导轨，提高了平行运动的精度，使导体能够精准顺着磁感线方向运动。如图3所示。

（3） 将直线电机、直线导轨、双掷开关、高精电磁感应放大模块固定在一个木板平台上，并将导线依次相连。

（4） 手提电脑与“探究猫”数字微电流传感器通过数据线相连，用于接收、处理和分析传感器采集到的电磁感应产生的微电流数据。可将数据以图像和数据形式呈现，方便用户对实验结果进行深入分析。如图4所示。

（5） 积木块为WER积木块，包括轴、轮、横梁配件；积木块相互拼接搭建形成操作台。通过轴、轮、横梁等配件相互拼接，搭建形成稳定的操作台。用于固定U形磁铁和连接直线导轨，为整个实验装置提供支撑结构，同时可以手动转动固定在积木块上的方形磁铁，其灵活的搭建方式可根据实验需求调整装置布局。

（6） 双掷开关分别连接单根导线与多匝线圈，方便用户切换不同匝数的线圈进行实验，以探究线圈匝数对电磁感应的影响。此外，它还与直线电机的控制线路连接，用于切换正科电机的正反转，正科电机固定在积木块上，实现多样化的实验场景。

直线电机采用可调电源供电，可调速电源与直线电机通过导线连接；可调速电源输出电压为3~12 V。直线电机结构简单，体积小，将电能直接转换成直线运动机械能，不需要任何中间转换机构的传动装置^［1］，易于调节和控制。通过调节电压，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合，直线电机的切割速度大小可以调节，方便操作使用。

3 教具创新点

（1） 技术应用创新。可调速电源为直线电机供电，使其产生直线运动机械能，带动与之相连的单根或多匝线圈在U形磁铁磁场中切割磁感线，线圈产生感应电动势，若电路闭合则形成感应电流。感应电流经微电流传感器采集后传输至电脑端，借助软件以图像和数据呈现其大小与方向，同时电流经放大电路放大10 000倍以上，既能驱动发光二极管反映电流强弱，也可供灵敏电流表检测。

（2） 在操作时，双掷开关可切换单根导线与多匝线圈及电机正反转，结合积木块搭建的操作台灵活调整部件位置，配合磁体不同操作方式，全面探究电磁感应产生条件，如线圈运动状态、磁场变化等因素对感应现象的影响。与现有技术相比，在结构上，采用直线电机与直线导轨，直线电机无需中间传动机构，结构简单紧凑，通过调节电压就能精准控制线圈切割速度，确保直线导轨运动的高精度与稳定性，积木块和双掷开关操作便捷，节省实验准备时间和操作难度，取材方便，易自制推广，有利于电磁感应教学与研究的普及。

（3） 在功能方面，集成化电路可整合多个电磁感应实验，配合双掷开关轻松切换，改变了传统多套设备分别实验的烦琐状况，提升了实验效率。在测量显示上，微电流传感器与强大电流放大电路组合，能精确捕捉并清晰展示微电流，解决了普通灵敏电流表难以检测微弱感应电流的难题，且发光二极管直观呈现电流强弱，提升了对电磁感应现象的观察与分析能力，同时利用“探究猫”数字微电流传感器精确采集微电流信号，配合电流采样与运放电路，既能定性观察，又能定量分析感应电流，还能在手提电脑上以图像和数据形式呈现，提高实验数据的精确性，便于深入研究。

4 教具演示效果

利用高精电磁感应演示仪的直观性，可以直接将电磁感应现象展示给学生观看。演示仪中的内置线圈、LED灯等组件可以清晰地展示磁场的变化和感应电流的产生，使学生直观理解电磁感应的基本原理，这种方法能够使学生更加直观地理解实验现象和数据变化，同时培养他们的信息素养和数据处理能力；能够帮助学生克服对抽象物理概念的畏惧心理，提高他们的学习兴趣。

在探究过程中，为学生提供了简易版高精电磁感应放大模块，使实验现象更加直观。当线圈切割磁感线时，不仅能通过灵敏电流表观察指针偏转，还能通过LED灯的亮度直观显示出电流强弱，让学生清晰感知电磁感应现象，增强学习体验。

5 教具进一步改进方向

把高精电磁感应放大模块与微电流传感器集合在一块电路板上，同时通过蓝牙通信，把数据传送到电脑端或手机端。

参考文献

[1] 李开顺.高速响应活塞环数控车床的开发研究［D］.扬州：扬州大学，2005.

基金资助

广西教育科学“十四五”规划2023年度专项课题“中学物理自制教具在教育教学中的应用与实践研究”(2023ZJY627)

广西教育科学“十四五”规划2024年度专项课题“支架式教学在初中物理实验教学效果中的创新实践”(2024ZJY1132)