通电螺线管磁性强弱实验的探索

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在初中物理电流的磁场这一节中，提出通电螺线管有磁性。通电螺线管中线圈匝数增多，磁性增强，通电螺线管中电流增大，磁性增强，在通电螺线管中插入铁芯，磁性大大增强。课本中对此的演示实验，在理论上可以达到预期效果，但在实际操作中，由于一些主客观因素，往往难以做到预期效果。现对此作如下探索和改进：

1 对原演示实验的分析

①如图1所示，原演示实验的器材。电流表、线圈、电键、弹簧、挂码，滑动变阻器、导线。

②具体操作情况及原因分析

该演示实验在具体操作过程中，很难达预期效果，弹簧并没有出现预期当中的拉长、再次拉长、又明显拉长和进一步拉长。在大多数的操作中，出现的情况是：要么弹簧感觉不到被拉长，要么在增加线圈匝数、加大电流、插入铁芯后，挂码一下子被线圈吸住。

原因分析：

（1）该实验对弹簧的弹性要求高，弹力太强或太弱均不行，而要选择弹性适当的弹簧则较困难。

（2）弹簧悬挂的高度要求很高，太高、太低均不行。

（3）改变线圈匝数时，一般只用大、小两个线圈，而两个线圈匝数差别太多。

（4）通过滑动变阻器来加大电流时，由于电流增加的不稳定，也会出现上述结果。

(5)最关键的问题是：在通电螺线管产生的磁场中，场中各点的能量密度正比于各该点磁感应强度的平方，这也就意味着：通电螺线管对挂码的吸引力，并不仅仅是随着距离的减小简单地呈常数关系的反比增加，而是呈平方比增加，从而导致一旦出现挂码被吸引、弹簧被拉长的现象后，挂码就会一下子被线圈吸住。

2 对新演示实验的探索

①实验设计思路

（1）针对原演示实验中存在的设计与操作的缺憾，优化设计方案，改进实验装置，提高演示实验效果。

（2）克服上述原因分析中提出的问题，利用杠杆原理，通过弹簧秤的读数变化，在固定距离下研究通电螺线管磁性强弱的变化。

（3）利用磁性“同性相斥”的原理，设计实验装置。

②仪器装置及说明

（一）利用杠杆原理的实验装置

如图2所示，在杠杆的左端用棉线挂一钩码，在杠杆的右端等距离处用棉线挂一弹簧秤。通过棉线调节钩码与线圈的距离，距离控制在2cm左右，如果距离太大，就会影响演示实验的效果，距离太小，在操作上会带来一些不便。弹簧秤另一头用手拉住，在实验过程中要控制杠杆始终保持平衡。

（二） 利用磁性“同性相斥”原理的实验装置

如图3所示,把实验思路改为“同性相斥”：取一枚钮扣状磁铁和一截木棍，把磁铁的磁极与通电螺线管磁极相反的一面固定在木棍底部，这样就造成磁铁的磁极与通电螺线管磁极相同的面相向，把此实验装置放入量筒内，注入水，量筒用铁架台固定。

用此实验装置还有一关键之处：木棍与磁铁的平均密度要略大于水的密度（目的是当磁铁受到斥力时能较容易浮起）

③操作步骤及现象

①利用杠杆原理的实验

（1）按图2所示组装好实验装置。弹簧秤读数为F1。

（2）合上电键，由于通电螺线管产生的磁场，弹簧秤读数为F2，F2>F1。

（3）线圈匝数增加后，再合上电键，弹簧秤读数为F3，F3>F2>F1。

（4）利用滑线变阻器逐步加大电流，弹簧秤读数为F4，F4>F3>F2>F1。

（5）在通电螺线管内插入铁芯之后，弹簧秤读数为F5，F5>F4>F3>F2>F1。

②磁性“同性相斥”原理的实验

（1）按图3所示组装好实验装置。

（2）合上电键，由于通电螺线管产生的磁场的磁极和它相向的磁铁的磁极相同，造成同性相斥，使得试管内的木棍浮起一定高度。

（3）线圈匝数增加后，再合上电键，结果发现试管内的木棍 浮得更高。

（4）利用滑动变阻器逐步加大电流，结果发现试管内的木棍随着电流的增加又缓缓上升。

（5）在通电螺线管内插入铁芯之后，发现试管内的木棍进一步明显升高。

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