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摘要：在传统的电磁感应现象演示实验的基础上，利用彩色发光二极管代替电流计，利用小型音乐发声元件的发音特性，从视、听、动等角度对电磁感应现象演示实验进行了多维情境的设计和探究，并自制了实验教具。
关键词：电磁感应现象 演示实验 探究
1 引言
电磁感应现象演示实验是物理教学中一个十分重要的演示实验，在物理教学中占有非常重要的地位。通过实验演示可以加深学生对理论知识的理解，同时也可以激发学生学习物理知识的兴趣。演示实验的好坏直接关系到学生对理论知识的信任度和理解度。为了体现新课标中关于进一步提高学生的实验素养，激发学生的实验探究兴趣，增强学生的创新意识的要求，在传统的电磁感应现象演示实验的基础上，利用彩色发光二极管代替电流计，利用小型音乐发声元件的发音特性，从视、听、动等角度对电磁感应现象演示实验进行了多维情境的设计和探究，并自制了实验教具，明显地提高了演示效果。
2 彩色发光二极管对电磁感应现象演示实验的探究
为了使学生更好地理解和掌握电磁感应现象，大部分的教材中都是通过演示实验来演示、验证电磁感应现象，进而总结出电磁感应的规律。传统的电磁感应现象演示实验是利用电流计来测量电路中有无感应电流和感应电流方向的。由于需要根据电流计指针的偏转方向来判断感应电流的方向，所以，实验以前必须先验证电流方向与指针偏转方向的关系。并且由于指针的惯性使得指针的偏转不易固定，演示实验的效果也受到影响。而利用彩色发光二极管的单向导电性和发光特性可以直接显示有无感应电流,并可以判断出感应电流的大小和方向，用它代替电流计，使得演示效果明显提高。
实验原理
当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中必定产生感应电动势。人们把由于磁通量变化产生感应电动势的现象统称为电磁感应现象。当柱形磁铁插入或抽出线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，必定产生感应电动势，闭合回路中有感应电流产生。磁通量变化不同，感应电流的大小和方向不同。利用彩色发光二极管的单向导电性和发光特性，可以观察到电路中有无感应电流以及感应电流的大小和方向。
2.2 实验设计（一）
2.2.1 电路设计
如图1所示，用一匝数n= 1000匝的线圈与并联的两个彩色发光二极管D1（绿色）、D2（红色）构成回路。将一柱形强磁铁置于线圈上方。
2.2.2 实验操作及现象分析
将柱形强磁铁的N极向下迅速插入线圈，绿色发光二极管D1发光，红色发光二极管D2不发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I1所示。
将柱形强磁铁的N极向上迅速抽出线圈，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1不发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I2所示。
当柱形强磁铁与线圈相对静止时，红、绿彩色发光二极管均不发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量没有变化时，线圈中没有感应电流产生。
2.3 实验设计（二）
2.3.1 电路设计
如图2所示，用一匝数n= 1000匝的线圈与红色发光二极管D2并联，与串连的两个绿色发光二极管D1、D3并联，构成回路。将一柱形强磁铁置于线圈上方。
2.3.2 实验操作及现象分析
将柱形强磁铁的N极向下缓慢插入线圈，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1、D3不发光；将柱形强磁铁的N极向下快速插入线圈，红色发光二极管D2、绿色发光二极管D1、D3均发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量的变化量相同时，所用时间越短，线圈中的感应电动势越大。并且可以判断出感应电流的方向如图I1所示。
将柱形磁铁的N极向下插入线圈，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1、D3不发光。增大柱形磁铁的磁性（可将几个柱形强磁铁相吸），将柱形强磁铁的N极向下以相同速度插入线圈，红色发光二极管D2、绿色发光二极管D1、D3均发光。这一现象说明：当所用时间相同时，穿过线圈的磁通量越大，线圈中的感应电动势越大。并且可以判断出感应电流的方向如图I1所示。
由上述两个操作，可以分析出：对于同一电路，磁通量的变化率越大，线圈中的感应电流越大。即 越大，线圈中的感应电动势越大，感应电流越大。感应电流的大小与磁通量的变化率有关。
以上两个实验设计，利用彩色发光二极管能发出红、绿两种不同颜色的光，把电信号转变成光信号，从视觉上引起学生们的注意，增强了实验现象的直观性与可见度，而且利用彩色发光二极管的单向导电性和发光特性可以直接演示出感应电流的有无和方向，提高了演示效果。实验设计（二）在实验设计（一）的基础上，进一步对电磁感应现象演示实验中磁通量的变化量、所用时间及感应电流三者之间的关系进行了探究。实验操作简单，演示效果明显，克服了长期以来电磁感应现象演示实验教学的难点。
3 小型音乐发声元件对电磁感应现象演示实验的探究
电磁感应现象演示实验除了可以从视觉角度进行探究外，还可以从听觉角度进行设计。
3.1 电路设计
如图3所示，用一匝数n= 2000匝的线圈（若条件不具备，可将两个匝数n= 1000的线圈串联在一起，上下放置）与一小型音乐发声元件（有正负极）串联。将柱形强磁铁置于线圈上方。
3.2 实验操作及现象分析
将柱形强磁铁的N极向下迅速插入线圈，这时会听到“叽”的
一声。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电动势和感应电流产生,感应电流的方向如图3所示。将柱形强磁铁的N极向上迅速抽出线圈，这时没有声音产生。若将音乐发声元件的正负极互换接在线圈上，这时，又会听到“叽”的一声。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电动势和感应电流产生,感应电流的方向如图4所示。
利用音乐发声元件的发声特性，从听觉的角度探究电磁感应现象，现象明显，形式新颖，拓宽了学生对电磁感应现象的理解。
4 电磁感应现象动态演示实验的探究
4.1 实验设计（一）
4.1.1 实验原理
当柱形磁铁插入或抽出线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，闭合回路中有感应电流产生。处于蹄形磁铁磁场中的感应线圈将受到安培力的作用。
4.1.2 电路设计
如图5所示，用一匝数n= 1000匝的大线圈与一匝数n= 10匝的小线圈相连。并将匝数n= 10匝的小线圈置于蹄形磁铁的磁场中。将一柱形强磁铁置于大线圈上方。
4.1.3 实验操作及现象分析
当柱形强磁铁的N极向下迅速插入线圈时，匝数n=10匝的小线圈由静止变为向外运动。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电流产生。小线圈中的感应电流由于处于蹄形磁铁的磁场中，故受到安培力的作用，由左手定则可判断出安培力向外，故小线圈向外运动。
当柱形强磁铁的N极向上迅速抽出线圈时，匝数n=10匝的小线圈由静止变为向里运动。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电流产生。小线圈中的感应电流由于处于蹄形磁铁的磁场中，故受到安培力的作用，由左手定则可判断出安培力向里，故小线圈向里运动。
4.2 实验设计（二）
4.2.1 实验原理
当柱形磁铁插入或抽出线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，线圈中有感应电流产生。线圈中感应电流产生的磁场使处于其磁场中的柱形磁铁受到力的作用而向上或向下运动。
4.2.2 电路设计
如图6所示，将两个相同的柱形强磁铁(直径d=1.5cm,高h=3cm)分别与两个弹簧相连，弹簧固定在自制铁架台(长l=44cm,高h=38cm)上，将两个匝数n=1000匝的线圈分别置于两柱形磁铁的下方，用导线将两个线圈相连。
4.2.3 实验操作及现象分析
压缩左侧弹簧，使左侧弹簧下的柱形强磁铁在弹簧弹力与重力的作用下N极向下迅速插入左侧线圈中，这时右侧的柱形强磁铁由
静止变为向上运动。这一现象说明：当穿过左侧线圈的磁通量增加时，左侧线圈中有感应电流产生。此时，右侧线圈相当于一通电螺线管，有磁场产生，对右侧柱形强磁铁具有排斥的力，故右侧的柱形强磁铁由静止变为向上运动。
拉伸左侧弹簧，使左侧弹簧下的柱形强磁铁在弹簧弹力与重力的作用下N极向上迅速抽出左侧线圈，这时右侧的柱形强磁铁由静止变为向下运动。这一现象说明：当穿过左侧线圈的磁通量减少时，左侧线圈中有感应电流产生。此时，右侧线圈相当于一通电螺线管，有磁场产生，对右侧柱形强磁铁具有吸引的力，故右侧的柱形强磁铁由静止变为向下运动。
此实验利用线圈中感应电流产生的磁场，使处于其磁场中的柱形强磁铁受到力的作用而运动。从动态运动的角度探究了电磁感应现象。现象明显，能够引起学生的探究兴趣，从而进一步揭示出电磁感应现象的规律。
5 组合教具对电磁感应现象演示实验的探究
前面几个实验的探究都是从各个角度单一进行的。考虑到在教学中进一步引起学生的兴趣，拟用自制组合教具进行演示。
5.1 电路设计
如图7所示，将彩色红、绿发光二极管、小型音乐发声器、 匝数n= 50匝的小线圈（带一蹄形磁铁）与匝数n= 2000匝的大线圈并联，将一柱形强磁铁置于匝数n= 2000匝的大线圈上方。
5.2 实验操作与现象分析
将柱形强磁铁的N极向下迅速插入大线圈。这时，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1不发光。同时会听到小型音乐发声元件发出“叽”的一声，小线圈由静止变为向外运动。这一现象说明：当穿过大线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I1所示。并且因为有了感应电流使得小型音乐发声元件发声，使在蹄形磁铁磁场中的小线圈运动。
将柱形强磁铁的N极向上迅速抽出大线圈。这时，红色发光二极管D1不发光，绿色发光二极管D2发光。小型音乐发声元件不发出任何声响，小线圈由静止变为向里运动。若将音乐发声元件的正负极互换接在线圈上，这时，又会听到“叽”的一声。这一现象说明：当穿过大线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I2所示。并且因为有了感应电流，使在蹄形磁铁磁场中的小线圈运动。
利用组合教具设计的实验，将电磁感应现象演示实验从发光、发声、动等多角度直观、生动的一并演示出来。便于学生观察分析，加深了学生对电磁感应现象的印象，增强了演示实验的趣味性，有利于激发学生多角度的思考、分析问题。有助于学生对电磁感应的现象规律的探索。并可通过探究性实验，增强学生的实验探究能力。
关键词：电磁感应现象 演示实验 探究
1 引言
电磁感应现象演示实验是物理教学中一个十分重要的演示实验，在物理教学中占有非常重要的地位。通过实验演示可以加深学生对理论知识的理解，同时也可以激发学生学习物理知识的兴趣。演示实验的好坏直接关系到学生对理论知识的信任度和理解度。为了体现新课标中关于进一步提高学生的实验素养，激发学生的实验探究兴趣，增强学生的创新意识的要求，在传统的电磁感应现象演示实验的基础上，利用彩色发光二极管代替电流计，利用小型音乐发声元件的发音特性，从视、听、动等角度对电磁感应现象演示实验进行了多维情境的设计和探究，并自制了实验教具，明显地提高了演示效果。
2 彩色发光二极管对电磁感应现象演示实验的探究
为了使学生更好地理解和掌握电磁感应现象，大部分的教材中都是通过演示实验来演示、验证电磁感应现象，进而总结出电磁感应的规律。传统的电磁感应现象演示实验是利用电流计来测量电路中有无感应电流和感应电流方向的。由于需要根据电流计指针的偏转方向来判断感应电流的方向，所以，实验以前必须先验证电流方向与指针偏转方向的关系。并且由于指针的惯性使得指针的偏转不易固定，演示实验的效果也受到影响。而利用彩色发光二极管的单向导电性和发光特性可以直接显示有无感应电流,并可以判断出感应电流的大小和方向，用它代替电流计，使得演示效果明显提高。
实验原理
当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中必定产生感应电动势。人们把由于磁通量变化产生感应电动势的现象统称为电磁感应现象。当柱形磁铁插入或抽出线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，必定产生感应电动势，闭合回路中有感应电流产生。磁通量变化不同，感应电流的大小和方向不同。利用彩色发光二极管的单向导电性和发光特性，可以观察到电路中有无感应电流以及感应电流的大小和方向。
2.2 实验设计（一）
2.2.1 电路设计
如图1所示，用一匝数n= 1000匝的线圈与并联的两个彩色发光二极管D1（绿色）、D2（红色）构成回路。将一柱形强磁铁置于线圈上方。
2.2.2 实验操作及现象分析
将柱形强磁铁的N极向下迅速插入线圈，绿色发光二极管D1发光，红色发光二极管D2不发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I1所示。
将柱形强磁铁的N极向上迅速抽出线圈，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1不发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I2所示。
当柱形强磁铁与线圈相对静止时，红、绿彩色发光二极管均不发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量没有变化时，线圈中没有感应电流产生。
2.3 实验设计（二）
2.3.1 电路设计
如图2所示，用一匝数n= 1000匝的线圈与红色发光二极管D2并联，与串连的两个绿色发光二极管D1、D3并联，构成回路。将一柱形强磁铁置于线圈上方。
2.3.2 实验操作及现象分析
将柱形强磁铁的N极向下缓慢插入线圈，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1、D3不发光；将柱形强磁铁的N极向下快速插入线圈，红色发光二极管D2、绿色发光二极管D1、D3均发光。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量的变化量相同时，所用时间越短，线圈中的感应电动势越大。并且可以判断出感应电流的方向如图I1所示。
将柱形磁铁的N极向下插入线圈，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1、D3不发光。增大柱形磁铁的磁性（可将几个柱形强磁铁相吸），将柱形强磁铁的N极向下以相同速度插入线圈，红色发光二极管D2、绿色发光二极管D1、D3均发光。这一现象说明：当所用时间相同时，穿过线圈的磁通量越大，线圈中的感应电动势越大。并且可以判断出感应电流的方向如图I1所示。
由上述两个操作，可以分析出：对于同一电路，磁通量的变化率越大，线圈中的感应电流越大。即 越大，线圈中的感应电动势越大，感应电流越大。感应电流的大小与磁通量的变化率有关。
以上两个实验设计，利用彩色发光二极管能发出红、绿两种不同颜色的光，把电信号转变成光信号，从视觉上引起学生们的注意，增强了实验现象的直观性与可见度，而且利用彩色发光二极管的单向导电性和发光特性可以直接演示出感应电流的有无和方向，提高了演示效果。实验设计（二）在实验设计（一）的基础上，进一步对电磁感应现象演示实验中磁通量的变化量、所用时间及感应电流三者之间的关系进行了探究。实验操作简单，演示效果明显，克服了长期以来电磁感应现象演示实验教学的难点。
3 小型音乐发声元件对电磁感应现象演示实验的探究
电磁感应现象演示实验除了可以从视觉角度进行探究外，还可以从听觉角度进行设计。
3.1 电路设计
如图3所示，用一匝数n= 2000匝的线圈（若条件不具备，可将两个匝数n= 1000的线圈串联在一起，上下放置）与一小型音乐发声元件（有正负极）串联。将柱形强磁铁置于线圈上方。
3.2 实验操作及现象分析
将柱形强磁铁的N极向下迅速插入线圈，这时会听到“叽”的
一声。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电动势和感应电流产生,感应电流的方向如图3所示。将柱形强磁铁的N极向上迅速抽出线圈，这时没有声音产生。若将音乐发声元件的正负极互换接在线圈上，这时，又会听到“叽”的一声。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电动势和感应电流产生,感应电流的方向如图4所示。
利用音乐发声元件的发声特性，从听觉的角度探究电磁感应现象，现象明显，形式新颖，拓宽了学生对电磁感应现象的理解。
4 电磁感应现象动态演示实验的探究
4.1 实验设计（一）
4.1.1 实验原理
当柱形磁铁插入或抽出线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，闭合回路中有感应电流产生。处于蹄形磁铁磁场中的感应线圈将受到安培力的作用。
4.1.2 电路设计
如图5所示，用一匝数n= 1000匝的大线圈与一匝数n= 10匝的小线圈相连。并将匝数n= 10匝的小线圈置于蹄形磁铁的磁场中。将一柱形强磁铁置于大线圈上方。
4.1.3 实验操作及现象分析
当柱形强磁铁的N极向下迅速插入线圈时，匝数n=10匝的小线圈由静止变为向外运动。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电流产生。小线圈中的感应电流由于处于蹄形磁铁的磁场中，故受到安培力的作用，由左手定则可判断出安培力向外，故小线圈向外运动。
当柱形强磁铁的N极向上迅速抽出线圈时，匝数n=10匝的小线圈由静止变为向里运动。这一现象说明：当穿过线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电流产生。小线圈中的感应电流由于处于蹄形磁铁的磁场中，故受到安培力的作用，由左手定则可判断出安培力向里，故小线圈向里运动。
4.2 实验设计（二）
4.2.1 实验原理
当柱形磁铁插入或抽出线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，线圈中有感应电流产生。线圈中感应电流产生的磁场使处于其磁场中的柱形磁铁受到力的作用而向上或向下运动。
4.2.2 电路设计
如图6所示，将两个相同的柱形强磁铁(直径d=1.5cm,高h=3cm)分别与两个弹簧相连，弹簧固定在自制铁架台(长l=44cm,高h=38cm)上，将两个匝数n=1000匝的线圈分别置于两柱形磁铁的下方，用导线将两个线圈相连。
4.2.3 实验操作及现象分析
压缩左侧弹簧，使左侧弹簧下的柱形强磁铁在弹簧弹力与重力的作用下N极向下迅速插入左侧线圈中，这时右侧的柱形强磁铁由
静止变为向上运动。这一现象说明：当穿过左侧线圈的磁通量增加时，左侧线圈中有感应电流产生。此时，右侧线圈相当于一通电螺线管，有磁场产生，对右侧柱形强磁铁具有排斥的力，故右侧的柱形强磁铁由静止变为向上运动。
拉伸左侧弹簧，使左侧弹簧下的柱形强磁铁在弹簧弹力与重力的作用下N极向上迅速抽出左侧线圈，这时右侧的柱形强磁铁由静止变为向下运动。这一现象说明：当穿过左侧线圈的磁通量减少时，左侧线圈中有感应电流产生。此时，右侧线圈相当于一通电螺线管，有磁场产生，对右侧柱形强磁铁具有吸引的力，故右侧的柱形强磁铁由静止变为向下运动。
此实验利用线圈中感应电流产生的磁场，使处于其磁场中的柱形强磁铁受到力的作用而运动。从动态运动的角度探究了电磁感应现象。现象明显，能够引起学生的探究兴趣，从而进一步揭示出电磁感应现象的规律。
5 组合教具对电磁感应现象演示实验的探究
前面几个实验的探究都是从各个角度单一进行的。考虑到在教学中进一步引起学生的兴趣，拟用自制组合教具进行演示。
5.1 电路设计
如图7所示，将彩色红、绿发光二极管、小型音乐发声器、 匝数n= 50匝的小线圈（带一蹄形磁铁）与匝数n= 2000匝的大线圈并联，将一柱形强磁铁置于匝数n= 2000匝的大线圈上方。
5.2 实验操作与现象分析
将柱形强磁铁的N极向下迅速插入大线圈。这时，红色发光二极管D2发光，绿色发光二极管D1不发光。同时会听到小型音乐发声元件发出“叽”的一声，小线圈由静止变为向外运动。这一现象说明：当穿过大线圈的磁通量增加时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I1所示。并且因为有了感应电流使得小型音乐发声元件发声，使在蹄形磁铁磁场中的小线圈运动。
将柱形强磁铁的N极向上迅速抽出大线圈。这时，红色发光二极管D1不发光，绿色发光二极管D2发光。小型音乐发声元件不发出任何声响，小线圈由静止变为向里运动。若将音乐发声元件的正负极互换接在线圈上，这时，又会听到“叽”的一声。这一现象说明：当穿过大线圈的磁通量减少时，线圈中有感应电流产生，感应电流的方向如图I2所示。并且因为有了感应电流，使在蹄形磁铁磁场中的小线圈运动。
利用组合教具设计的实验，将电磁感应现象演示实验从发光、发声、动等多角度直观、生动的一并演示出来。便于学生观察分析，加深了学生对电磁感应现象的印象，增强了演示实验的趣味性，有利于激发学生多角度的思考、分析问题。有助于学生对电磁感应的现象规律的探索。并可通过探究性实验，增强学生的实验探究能力。