王歡 楊英

摘? ?要：電磁感應(yīng)章節(jié)一直是高中物理教學(xué)中的難點(diǎn)，因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)過程是微觀過程，抽象且難以理解。筆者自制 “無線充電電動小車”和“火花間隙特斯拉線圈”，并在教學(xué)過程中進(jìn)行現(xiàn)象演示，讓學(xué)生能更加直觀地感受電磁感應(yīng)的產(chǎn)生過程;同時，學(xué)生通過觀察，可以將電磁感應(yīng)的應(yīng)用延伸到無線充電及傳輸電能等領(lǐng)域，從而提高學(xué)生對于科技制作的興趣，緊扣物理學(xué)科核心素養(yǎng)，體現(xiàn)物理源于生活、高于生活的理念。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng);無線充電;特斯拉線圈;物理核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）6-0064-4

電磁感應(yīng)知識是高中《物理3-2》的核心內(nèi)容，如何更好地運(yùn)用相關(guān)教學(xué)策略進(jìn)行教學(xué)一直是教師研究的重點(diǎn)。很多對于電磁感應(yīng)教學(xué)的研究都集中在教學(xué)方法上，如郭麗艷在文章《高中物理教學(xué)中電磁感應(yīng)相關(guān)知識的融入教學(xué)方式》[1] 和柳永梅在文章《高中物理中電磁感應(yīng)的教與學(xué)》[2]中都對此進(jìn)行了相關(guān)研究。而物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，任何理論都是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上展開的。因此，在物理教學(xué)研究中，有關(guān)物理實(shí)驗(yàn)部分的研究是不可或缺的。

本文主要針對電磁感應(yīng)知識的實(shí)際應(yīng)用，自制創(chuàng)新科技作品“無線充電電動小車”和“火花間隙特斯拉線圈”，并運(yùn)用到物理教學(xué)過程中，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與科技創(chuàng)作的興趣。

1? ? 無線充電電動小車

1.1? ? 設(shè)計(jì)思路及原理

中學(xué)物理教學(xué)過程中有關(guān)電磁感應(yīng)的教學(xué)非常抽象，學(xué)生難以理解。教材中所涉及到的演示實(shí)驗(yàn)主要通過觀察電流計(jì)是否偏轉(zhuǎn)來判斷是否有感應(yīng)電流的產(chǎn)生[3]，實(shí)驗(yàn)不夠豐富。如果教師在教學(xué)中能夠?qū)⒊橄蟮闹R變成具體的實(shí)物演示，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的講解，進(jìn)而回到知識教學(xué)中，學(xué)生便能更好地掌握概念。在此思路的指導(dǎo)下，筆者制作了無線充電電動小車，其中無線充電部分正是運(yùn)用的電磁感應(yīng)相關(guān)知識。

無線充電電動小車主要分為無線充電部分和電動小車部分，無線充電采用的是電感式無線充電技術(shù)，使小車不直接接通電源也可充電啟動。圖1是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，系統(tǒng)主要使用STM8單片機(jī)來控制電路，并制作成PCB線路板，通過電路設(shè)計(jì)與預(yù)設(shè)程序控制繼電器實(shí)現(xiàn)超級電容在充電模式與放電模式間的自動切換，并使用OLED顯示屏顯示充電倒計(jì)時。通過電磁感應(yīng)無線電能傳輸方式使超級電容儲存電能，經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器升壓后給電動車供電，小車即可啟動[4]。

電感式無線充電技術(shù)是一種基于電磁感應(yīng)原理的無線充電技術(shù)，即通過發(fā)射部分的振蕩源產(chǎn)生周期性連續(xù)變化的電流，電流通過發(fā)射端線圈（初級線圈），從而使線圈周圍產(chǎn)生周期性連續(xù)變化的磁場，通過感應(yīng)，接收端線圈（次級線圈）的磁通量發(fā)生變化，使得接收端線圈產(chǎn)生電流，完成電能的無線傳輸[5]，原理如圖2所示。

1.2? ? 小車結(jié)構(gòu)與制作

1.2.1? ? 結(jié)構(gòu)

該裝置分為兩個部分，一是無線充電部分，主要由STM8單片機(jī)最小系統(tǒng)、OLED顯示屏、無線充電模塊（發(fā)射端）、初級線圈構(gòu)成，如圖3所示;二是電動小車部分，主要由次級線圈、無線充電模塊（接收端）、超級電容、DC-DC轉(zhuǎn)換器、小型電動機(jī)、車輪構(gòu)成，如圖4所示。

1.2.2? ? 制作要點(diǎn)

第一步，制作小車：使用塑料板作為骨架，提前在車軸上裝上齒輪，將小車的四輪組裝好，再安裝上電機(jī)，完成后連接電源測試小車能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二步，安裝供能模塊：按照功能設(shè)計(jì)，將次級線圈、無線充電模塊（接收端）、超級電容、DC-DC轉(zhuǎn)換器等焊接在一起，注意接線預(yù)留足夠長度，再將其安裝到小車上，并將DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端與電機(jī)輸入端焊接在一起。

第三步，制作無線充電部分：按照功能設(shè)計(jì)，將STM8單片機(jī)最小系統(tǒng)、OLED顯示屏、無線充電模塊（發(fā)射端）、初級線圈、開關(guān)等焊接在一起，再將其簡易固定在塑料板上。

第四步，程序編寫：編寫程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)對繼電器以及OLED顯示器的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超級電容在充電模式與放電模式間的自動切換與OLED顯示屏顯示充電倒計(jì)時。

第五步，程序載入與調(diào)試：將編寫好的程序載入單片機(jī)，將系統(tǒng)連接電源，測試整個系統(tǒng)功能是否正常，無誤后，固定好無線充電部分，制作完成。

1.3? ? 小車演示與操作

先將電動小車放置在無線充電板上，如圖5所示。注意小車上的次級線圈要放置在無線充電板的初級線圈正上方，使其正對面積最大，電能傳輸效果才最好。隨后打開充電板上的開關(guān)，開始進(jìn)行充電，由于提前設(shè)定的充電時間是60 s，于是OLED顯示屏上顯示時間倒計(jì)時，充電結(jié)束小車即可啟動。

1.4? ? 在電磁感應(yīng)教學(xué)中的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)可在學(xué)習(xí)“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”時作為新課引入，從而調(diào)動學(xué)生的好奇心，引發(fā)學(xué)生思考并埋下伏筆。通過課堂的深入學(xué)習(xí)，最后再解釋無線充電的原理，鞏固新課程的教學(xué)，讓學(xué)生在“玩?！敝姓莆招轮R。

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于能引發(fā)學(xué)生的探究興趣，在課堂的實(shí)際演示過程中，學(xué)生也確實(shí)表現(xiàn)出極大的好奇心，尤其是喜愛汽車模型的男同學(xué)。而充電底座的線圈和電動小車的線圈沒有直接接觸，卻能傳導(dǎo)電能，使電動小車帶電并行駛，更是打破了學(xué)生的傳統(tǒng)認(rèn)識，學(xué)生紛紛疑惑，想要一探究竟。

2? ? 火花間隙特斯拉線圈

2.1? ? 設(shè)計(jì)思路和原理

在傳統(tǒng)教學(xué)中，涉及到課外拓展知識時，教師更多的只是簡單地給學(xué)生舉一些生活中的例子，不重視知識的延伸與應(yīng)用。教師平時授課時大多只在新課引入和知識講解時配合使用教具，忽略了知識點(diǎn)的應(yīng)用環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對知識點(diǎn)理解不透徹。由此，在學(xué)習(xí)完電磁感應(yīng)這一章節(jié)過后，筆者查閱相關(guān)資料，選取并自制了火花間隙特斯拉線圈作為本章知識的拓展運(yùn)用，鞏固學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解。

特斯拉線圈實(shí)質(zhì)是一種使用電磁感應(yīng)原理運(yùn)作的變壓器，這里制作的是比較典型的小型火花間隙特斯拉線圈。它是由變壓器、電容陣、打火器、初級線圈、次級線圈、放電頂端等組成。圖6是自制的火花間隙特斯拉線圈的原理圖，其主要包含三個部分：升壓充電回路、初級諧振回路、次級諧振回路。其原理是利用變壓器給普通電壓升壓，給主電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到打火器閾值時，打火器擊穿空氣打火，初級諧振回路形成，初級線圈通過電磁感應(yīng)向次級線圈傳輸能量， 次級回路隨之振蕩，放電頂端電壓逐漸升高，最終使周圍空氣電離形成電弧[6]。當(dāng)兩級回路中能量損耗到達(dá)一定程度時，打火器斷開，重新對主電容充電，如此往復(fù)。

2.2? ? 結(jié)構(gòu)與制作

2.2.1? ? 結(jié)構(gòu)

火花間隙特斯拉線圈制作成品如圖7所示，下方由ZVS驅(qū)動板、高壓包、電容陣、打火器等組成，并由木質(zhì)的上下底板、柱子相連接。一個直徑較大的塑料管固定在上木板，塑料管周圍纏繞初級線圈;內(nèi)部放置直徑較小的塑料管，周圍纏繞匝數(shù)較多的次級線圈，頂端放置金屬球。

2.2.2? ? 制作要點(diǎn)

第一步，制作次級線圈：選取一個尺寸合適的PVC管作為軸芯，選擇合適規(guī)格的漆包線進(jìn)行纏繞，記錄匝數(shù)，再刷上絕緣漆，制作完成后計(jì)算其電感，并用萬用表檢驗(yàn)。

第二步，制作放電頂端：選擇一個大小合適的金屬球，計(jì)算其對地等效電容，并用萬用表檢驗(yàn)，再將其焊接安裝到次級線圈頂端。

第三步，設(shè)計(jì)初級線圈：選取尺寸合適的PVC管作為軸芯，選擇合適規(guī)格的漆包線纏繞1到2匝，并計(jì)算其電感，注意預(yù)留足夠長度，以便于調(diào)諧。

第四步，電容陣設(shè)計(jì)與制作：根據(jù)次級線圈電感與放電頂端的對地等效電容計(jì)算電路的諧振頻率，再根據(jù)初級線圈電感計(jì)算出所需要的主電容大小，由此設(shè)計(jì)電容組，并焊接制作，注意選擇合適耐壓值的電容器。

第五步，制作升壓電路：根據(jù)相應(yīng)原理焊接出ZVS驅(qū)動板，再對高壓包進(jìn)行處理，將ZVS驅(qū)動板與高壓包進(jìn)行繞接。

第六步，安裝與調(diào)試：按照電路圖將各部分焊接組合在一起，將次級線圈下端接地，反復(fù)確認(rèn)所有接線，待無誤后通電測試。根據(jù)現(xiàn)象對打火器、初級線圈進(jìn)行調(diào)試，直至打火器正常工作，整個電路達(dá)到諧振，產(chǎn)生電弧，注意所有調(diào)試均要斷電進(jìn)行。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)演示與操作

2.3.1? ? 尖端放電現(xiàn)象

接通電源，電流先經(jīng)過變壓器升壓，電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度后，打火器之間的空氣電離，并伴隨打火器的噪音，放電頂端將會電離周圍的空氣，尖端放置的鐵球周圍產(chǎn)生電弧，如圖8，電弧與微型閃電類似，學(xué)生可以明顯觀察。

2.3.2? ? 隔空點(diǎn)亮燈管

手持日光燈管，靠近放電頂端的電弧，即可點(diǎn)亮燈管，如圖9。在學(xué)生的傳統(tǒng)意識中，燈管只有在接通電源的情況下才能被點(diǎn)亮，而隔空點(diǎn)亮燈管無疑會引起學(xué)生巨大的探索興趣。教師隨后向?qū)W生解釋燈管被點(diǎn)亮的原因，正是由于燈管內(nèi)的水銀蒸汽和少量的惰性氣體被次級線圈周圍強(qiáng)電場電離，使燈管在未接通電源時能被點(diǎn)亮。

2.4? ? 在電磁感應(yīng)教學(xué)中的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)可用于“變壓器”和“自感與互感”的教學(xué)中作為拓展實(shí)驗(yàn)來演示，在學(xué)習(xí)完新課過后，通過展示本實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考涉及到的物理知識并鞏固新課的學(xué)習(xí)。而由于其中一些原理涉及到更深層次的學(xué)習(xí)，教師可將此內(nèi)容作為學(xué)生課后的拓展作業(yè)，有興趣的學(xué)生可以自行查閱相關(guān)資料進(jìn)行了解。

本實(shí)驗(yàn)裝置在演示過程中現(xiàn)象明顯，能激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲，使學(xué)生印象深刻。本設(shè)計(jì)所展現(xiàn)的放電現(xiàn)象和隔空點(diǎn)亮燈管現(xiàn)象不僅可以達(dá)到演示效果，還能使學(xué)生參與其中。同時，儀器的原理、儀器的制作過程也蘊(yùn)含豐富的物理知識，它們不僅可以在物理教學(xué)課堂上展示，也可以在科普教學(xué)中用。

3? ? 總結(jié)與展望

本文所呈現(xiàn)的兩個創(chuàng)新作品盡管制作起來較為困難，但在實(shí)際運(yùn)用中卻能起到非常好的教學(xué)效果。筆者在實(shí)習(xí)期間講到此部分新課時，將儀器帶到教室進(jìn)行演示，在小車動起來或者燈泡被點(diǎn)亮?xí)r，學(xué)生一片驚呼，紛紛湊上前來觀看，想要一探究竟。而老師隨后提出問題，“無線充電和隔空點(diǎn)燈的原理是怎樣的？”學(xué)生結(jié)合新課的學(xué)習(xí)內(nèi)容就能對其進(jìn)行解釋。

無線充電的儀器雖然在生活中很常見，但是學(xué)生實(shí)際接觸其本質(zhì)原理的機(jī)會卻很少，并且無法觀察到其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，不能直觀地感受到其中的物理過程。通過向?qū)W生展示充電過程以及其具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲。并且有興趣的學(xué)生可以課后自己動手設(shè)計(jì)并制作此類的科技創(chuàng)新作品，提高學(xué)生的動手能力，使學(xué)生邊動手邊加深對知識的理解。將物理教學(xué)與生活中一些常見的物品結(jié)合起來，更能體現(xiàn)“生活處處有物理”的理念。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭麗艷.高中物理教學(xué)中電磁感應(yīng)相關(guān)知識的融入教學(xué)方式[J].亞太教育，2016（21）：66-68.

[2]柳永梅.高中物理中電磁感應(yīng)的教與學(xué)[J].現(xiàn)代閱讀（教版），2013（4）：184.

[3]張大昌.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2016：5-7.

[4]劉恒宇，宋金鑫.基于無線充電的超級電容電動小車設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2018（8）：61-62.

[5]王光宇.淺析無線充電技術(shù)的主要分類及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國新通訊，2018，20（18）：99-100.

[6]李明謙.火花間隙特斯拉線圈的制作[J].技術(shù)與市場，2014，21（9）：28-30.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）