楞次定律驱动的缓冲电梯演示模型

摘要

楞次定律涉及电磁感应，其概念较为抽象，学生往往难以在现实生活中找到直观对应的现象来理解其物理内涵。为解决这一教学难点，自制一款楞次定律演示仪，该装置巧妙利用“缓冲电梯”模型，将抽象的定律转化为形象的生活实例。该演示仪结构简单、易于制作，实验现象明显，能有效帮助学生建立书本知识与实际应用的联系。

Graphical abstract

关键词

楞次定律 / 创新教具 / 电梯模型

楞次定律是指感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化^［1］，它是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现。楞次定律联系着电和磁两种不同形式的能量之间的转换，是学生解决电磁组合问题和深入理解能量转化的基础。但在现实生活中，楞次定律没有形象的对应物，不利于学生建构物理模型和理解概念。针对以上问题，对传统的落磁法实验进行改良，采用生活中常用的电梯模型，制作楞次定律演示仪。该演示仪具有直观性、趣味性，制作简单，能打破学生对磁通量的刻板印象，帮助学生建构过渡模型，更好地衔接生产生活实例。

1 教具制作及实验原理

1.1 教具制作

楞次定律演示仪正面和背面结构如图1所示。主要材料：木板、强磁铁、铝板和双面胶等。用木板搭建一个矩形框架，作为“电梯井”，并在其两侧安装轨道。一个内置玩偶小兔子（代表乘客）的木盒作为“电梯轿厢”，可在轨道上滑动。在木盒（轿厢）的背面粘贴一组强磁铁，另准备一块长条铝板，其尺寸略小于矩形框架的内宽，并将其固定于框架内部，使其与木盒背面的磁铁正对。

为确保演示时减速效果显著，必须调整强磁铁与铝板间的距离，将其控制在约1～2 mm。在此距离下，两者不会接触，但铝板中感应的涡流所产生的电磁阻尼力足够强，能清晰演示楞次定律的阻碍作用。

1.2 实验原理

将长方形木盒拉至最高点，自由下落，在重力作用下下落速度非常快。若在电梯模型的背后加入铝板再重复上述操作，则模型的下落速度会明显变慢，这是铝板内磁通量变化导致的结果。磁铁产生的磁场垂直于纸面（假设垂直纸面向里），再将铝板看作由无数个方形横截面组合而成，取其中一个横截面，对下落过程进行以下分析。

当磁铁进入该横截面（图2-a），由\Phi =BS可知，横截面S不变，磁场强度B增大，故横截面内磁通量增大，再由E=∆\Phi /t可以判断，横截面内产生了感应电动势。由于横截面是闭合的回路，回路内会再产生电流，电流周围又会激发感应磁场，磁场方向是垂直纸面向外的（与磁铁产生的磁场方向相反）。此时，将横截面看成一块磁铁，从受力分析的角度来看，两个磁场方向相反，会产生相互排斥的力学效果，结果是感应磁场阻碍磁铁的下落。

同理，当磁铁离开该横截面时，横截面内磁通量变化是减小的，感应电流方向随之反转（图2-b），感应磁场方向是垂直纸面向里的（与磁铁产生的磁场方向相同）。从受力分析角度来看，两个磁场方向相同，产生相互吸引的力学效果，表现为阻碍磁铁的下落。在整个下落过程中，磁铁进入、离开了无数个这样的横截面，所呈现出来的效果就是在加入铝板后，模型的下落速度明显变慢。

更深层次讲，楞次定律实际上是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现：当磁铁进入、离开该横截面时，横截面内出现电流，产生电能，在木盒下落速度变慢、机械能减小的情况下，二者组成的系统符合能量守恒定律。若模型下降速度不变，甚至比没有铝板更快，这就意味着在没有外力做功的情况下，磁铁的机械能不变或不断增大，在此期间还额外产生了电能，部分电能转化成了内能。显然，磁铁与铝板组成的系统中能量凭空增加了，不符合能量守恒定律。从该角度进行分析，能让学生更好地理解楞次定律为什么是“阻碍”，而不是“促进”。

2 教学应用及意义

2.1 导入实验，激发学习兴趣

在课前导入部分，进行两次演示实验。第一次将电梯模型中的长方体木盒拉到最高处，使其自由下落；第二次在模型的背后加入铝板，再将电梯模型拉到最高处，使其自由下落。对比两次实验的下落速度，学生能够感觉到在加入铝板后，模型的下落速度明显变慢了，激发起学生的好奇心，遂引发思考：为什么加入铝板后下落速度会变慢？该演示实验具有直观性，且模型中的小兔子不仅增加了趣味性，也侧面反映了电梯下落的速度。

2.2 建构模型，过渡实例分析

在学完楞次定律概念后，引导学生对该模型下落速度变慢的原因进行分析。在此过程中，注意引导学生如何正确选取铝板的横截面，以及如何通过楞次定律的核心“总是阻碍”来解释该现象，帮助学生建构起物理模型，使其能够更好地过渡到楞次定律的实例分析当中^［2］。“嫦娥四号”保护装置（图3）与该模型的减速原理极为相似，学生分析该保护装置是如何起保护作用的，可以更好地内化课堂知识，体验到成就感。

2.3 发散思维，不拘泥于课本

将课堂知识应用于实际分析，对于学生来说非常重要，不仅能加深学生对知识的理解，还能使学生在思考过程中体会知识带来的乐趣和好处，形成正反馈，从而更加热爱物理学习。因此，教师可以让学生课后思考，电梯减速模型能否应用于实际生活中电梯发生故障时，鼓励学生从多角度思考，发散学生思维，打破学科间壁垒。

3 结语

楞次定律虽然概念抽象，但其应用极为广泛。在军事、航天、生产生活中都有应用实例，如电磁炮、逃生下降装置、月球探测器软着陆的保护装置、磁悬浮列车等。结合日常生活中常见的电梯，借助自制楞次定律演示仪，可以有效帮助学生形象地理解楞次定律的物理内涵。当今的物理教学越来越注重联系生活实际和建构物理模型，传统实验教学已不能满足教学需求。对此，教师需要结合生产生活实践经验，制作出更多帮助学生建构物理模型的教具。从实践看，笔者自制的电梯模型能够满足教学需求，且在自制教具过程中提升了自身的专业素养。

参考文献

[1] 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.普通高中教科书物理选择性必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

基金资助

2024年度教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会大中物理教育衔接工作委员会教学研究课题“基于师范生培养的新高考背景下大中物理教育衔接研究”(WX202436)

韶关学院人才引进项目(440-9900064601)