熊建新

1 設(shè)計背景

電動機和發(fā)電機在現(xiàn)代社會中應(yīng)用非常廣泛。電動機的種類很多，根據(jù)功能不同分為驅(qū)動電動機和控制電動機（如步進電機和伺服電機）；根據(jù)使用的電源不同分為直流電動機和交流電動機。交流電動機分為同步電動機和異步電動機（感應(yīng)電動機）；異步電動機又有單相和三相之分。無論是火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電還是核能發(fā)電等，都是通過發(fā)電機發(fā)電的。發(fā)電機分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機。

實際的電動機和發(fā)電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中學(xué)階段只要求掌握直流電動機、交流發(fā)電機的工作原理。為了便于說明，教材采用了簡化的結(jié)構(gòu)原理圖進行展示，如圖1、2所示。直流電動機的原理是通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動，工作時把電能轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能。交流發(fā)電機的原理是電磁感應(yīng)，工作時把機械能轉(zhuǎn)化為電能。

直流電動機和交流發(fā)電機的原理不同，但它們在構(gòu)造上有相同之處，都有磁體和線圈。不同之處是，直流電動機的線圈兩端分別焊在兩片半圓形金屬環(huán)上，兩半環(huán)中間斷開，彼此絕緣，兩半環(huán)隨線圈一起轉(zhuǎn)動，兩固定不動的電刷（彈性金屬片）分別壓在兩半環(huán)上，兩電刷通過導(dǎo)線接電源構(gòu)成一個閉合電路。實際上，兩片半圓形金屬環(huán)就是換向器。它的作用是，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過平衡位置（線圈平面與磁感線垂直的位置），兩半環(huán)分別與另一電刷接觸，線圈中電流的方向自動改變。換向器之名就是這樣來的。根據(jù)左手定則，線圈受到的力矩保持不變，線圈就可以不停地向一個方向轉(zhuǎn)動下去。交流發(fā)電機的線圈兩端分別焊在圓形金屬環(huán)上，圓形金屬環(huán)隨線圈一起轉(zhuǎn)動，兩固定不動的電刷（彈性金屬片）分別壓在兩圓環(huán)上，兩電刷通過導(dǎo)線接用電器（如小燈泡、發(fā)光二極管）構(gòu)成一個閉合電路。

從原理上來說，把直流電動機電路中的電源換成用電器，讓線圈轉(zhuǎn)動，它就變成了發(fā)電機。玩具電動機（帶座和風(fēng)扇、23038）是直流電動機，經(jīng)試驗該電動機能在6 V電壓下長時間穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。筆者用玩具電動機設(shè)計了發(fā)電實驗。通過該實驗，學(xué)生加深了對直流電動機和交流發(fā)電機的構(gòu)造、原理的認(rèn)識，對不同形式能的轉(zhuǎn)化有了直觀、總體的認(rèn)識，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)、探究的興趣。

2 實驗器材

玩具電動機（帶座和風(fēng)扇）3個，演示電表，教學(xué)電源，電工膠布，剪刀，導(dǎo)線若干，發(fā)光二極管板，電子蜂鳴器，蹄形電磁鐵，大頭針等。

3 實驗過程、現(xiàn)象、分析及結(jié)論

3.1 演示玩具電動機通電、風(fēng)扇轉(zhuǎn)動

實驗中電能轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能。

3.2 演示玩具電動機發(fā)電使演示電表指針偏轉(zhuǎn)

把玩具電動機接電源的兩個接線柱用導(dǎo)線分別接到演示電表的“G”、“—”接線柱上，如圖3所示。用手向一個方向（順時針或逆時針）撥動風(fēng)扇，演示電表的指針向某個方向（左或右）偏轉(zhuǎn)，不停地?fù)軇语L(fēng)扇，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越來越大，指針的偏轉(zhuǎn)角度也越來越大。用手向另一個方向撥動風(fēng)扇，指針的偏轉(zhuǎn)方向變得與原來相反。實驗現(xiàn)象表明，直流電動機的轉(zhuǎn)子（線圈）向一個方向轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的是直流電（電流的方向不隨時間變化），轉(zhuǎn)速越大，產(chǎn)生的電壓越高，電流越大。比較直流電動機和交流發(fā)電機的構(gòu)造，可以發(fā)現(xiàn)，直流電動機發(fā)電時產(chǎn)生的是直流電跟換向器有關(guān)。根據(jù)楞次定律可以判斷直流電動機發(fā)電時線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向也會改變，但在電流方向改變時，兩半環(huán)分別與另一電刷接觸，這樣流過用電器的電流方向不變，即外電路電流方向不變。

實驗中機械能轉(zhuǎn)化為電能。

3.3 演示玩具電動機發(fā)電使LED燈發(fā)光

拆下兩個玩具電動機的風(fēng)扇，把它們放在水平臺上。調(diào)整電機在座上的位置，使兩電機的軸基本正相對，軸端相距約5 mm。用剪刀剪下長、寬合適的電工膠布，用膠布把兩軸包緊，包幾層即可，這樣兩電機軸形成柔性連接，如圖4所示。也可用自動鉛筆上的細彈簧（內(nèi)徑比電機的軸徑略大）套在兩軸上，軸端相距約5 mm，然后用502膠粘結(jié)，如圖5所示。

把甲電動機（與電源相連接）的兩個電源接線柱用導(dǎo)線連接到教學(xué)電源的穩(wěn)壓輸出“+”、“-”極上，把乙電動機（另一個）的兩個電源接線柱用導(dǎo)線連接到發(fā)光二極管板（紅、綠LED并聯(lián)）上。

將教學(xué)電源撥到4.5 V或6 V檔，接通開關(guān)。甲電動機的軸帶動乙電動機的軸（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動，紅色LED燈發(fā)光。斷開開關(guān)，將接發(fā)光二極管板的兩導(dǎo)線換位，再接通開關(guān)，綠色LED燈發(fā)光，如圖6、7所示。實驗現(xiàn)象表明，直流電動機發(fā)電時產(chǎn)生的是直流電，二極管具有單向?qū)щ娦?。實驗中注意不能隨意調(diào)高教學(xué)電源的輸出電壓，否則可能燒壞或擊穿發(fā)光二極管。

在這個實驗中，體現(xiàn)了電能機械能電能光能的能量轉(zhuǎn)換。

3.4 演示玩具電動機發(fā)電使電子蜂鳴器發(fā)聲

如圖8所示，實驗結(jié)果表明，玩具電動機發(fā)電產(chǎn)生的直流電能使電子蜂鳴器發(fā)出清晰的聲音。實驗中最后電能轉(zhuǎn)化為聲能。

3.5 演示玩具電動機發(fā)電使蹄形電磁鐵吸起大頭針

如圖9所示，實驗結(jié)果表明，玩具電動機發(fā)電產(chǎn)生的直流電能使電磁鐵顯示磁性。實驗中最后電能轉(zhuǎn)化為磁能。