王登建

山東省聊城文軒初級中學(xué)(252000)

電動機的工作原理“磁場對電流的作用”體現(xiàn)了電與磁之間的聯(lián)系,是初中電磁學(xué)的核心知識。由于線圈中電流的方向和受力方向都具有較強的抽象性,分析“線圈不能持續(xù)轉(zhuǎn)動的原因”和“換向器的作用”是本節(jié)課的教學(xué)難點。突破教學(xué)難點的關(guān)鍵是實驗,即利用實驗為學(xué)生提供清晰的思維表象,讓學(xué)生“看到”線圈中電流的方向以及電流的方向是怎樣改變的。然而,實驗室配備的相關(guān)器材是含有換向器的電動機模型(見圖1),這種模型的線圈繞制復(fù)雜,無法直觀顯示電流方向,而且無法演示通電線圈在平衡位置附近擺動,最終靜止在平衡位置的現(xiàn)象,不適合用來探究線圈不能持續(xù)轉(zhuǎn)動的原因。在廣泛查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,筆者對現(xiàn)有的相關(guān)教具進(jìn)行了改進(jìn),制作出了“立式通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動演示裝置”,該裝置除了能演示通電線圈在磁場中發(fā)生扭轉(zhuǎn)的實驗外,稍作變化便可以演示直流電動機的工作原理(即換向器的作用),取得了較好的教學(xué)效果。

圖1 實驗室配備的電動機模型

1 設(shè)計思路

為了突破教學(xué)難點,有的教師設(shè)計制作了水平矩形線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的模型[1],較好地展示了實驗現(xiàn)象。但斷電時,若使線圈在水平面內(nèi)靜止,兩邊對轉(zhuǎn)軸的重力矩必須相等,對制作工藝要求較高。吳慶華、宋明兩位老師采用立式單匝線圈設(shè)計制作了“直流電動機多功能演示器”[2],該演示器結(jié)構(gòu)簡潔,不必考慮重力矩的影響,但美中不足的是:該演示器不能直觀地顯示線圈中電流的方向。在此基礎(chǔ)上,筆者想到可以采用“組合技法”對線圈進(jìn)行改進(jìn):將LED燈帶和矩形線框相結(jié)合,利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦燥@示電流的方向,且發(fā)光LED燈帶的顏色不同表示電流方向不同。幾經(jīng)探索,獲得了初步成功。

2 所需材料和制作過程

2.1 材料與制作工具

低壓LED燈帶(5 V,一燈一剪,背部帶膠條,紅、綠各16個)、鐵條(1 300 mm×20 mm×2 mm)1條、木板(300 mm×150 mm×20 mm)1塊、A4文件夾背部塑料封裝條4個(不同顏色)、漆包線(長約50 m,直徑0.67 mm),硬金屬絲(長約400 mm,直徑4 mm)1條、薄銅片(80 mm×5 mm)2片、圓木棍(長約60 mm,直徑20 mm)1段、雙導(dǎo)銅箔膠帶(10 mm×0.1 mm)、強釹磁鐵(60 mm×40 mm×5 mm×0.3 mm)6塊、微型軸承(內(nèi)徑2 mm)、撥動開關(guān)1個、螺絲釘、螺母(直徑4 mm)8套,剪刀、電烙鐵、焊錫、電鉆、熱熔膠槍、彩紙等。

2.2 主要制作過程

2.2.1 旋轉(zhuǎn)線圈的制作

將塑料封裝條兩側(cè)可活動的邊緣剪掉一部分,留下約5 mm深的凹槽;將4根加工好的塑料凹槽條組裝成1個長寬約20 cm×25 cm的矩形線框(需要彎折的部位用酒精燈稍微加熱,待其變軟后折成所需的直角),塑料條相連接的部位用熱熔膠固定。在線框兩短邊的中點打孔,穿入硬金屬絲作為轉(zhuǎn)軸。用漆包線沿線框繞制50匝左右的線圈。

沿圓木棍縱軸軸心打孔,把轉(zhuǎn)軸和線圈的一端從孔內(nèi)穿過,用熱熔膠將圓木棍、轉(zhuǎn)軸、線框固定在一起。將雙導(dǎo)銅箔膠帶在圓木棍上纏繞成2個彼此絕緣的集流環(huán),把線圈的兩端分別焊接在2個集流環(huán)上。制作完成的旋轉(zhuǎn)線圈如圖2所示。

圖2 制作完成的旋轉(zhuǎn)線圈

2.2.2 支架的制作

將鐵條折成長寬35 cm×28 cm的矩形框架,上邊中間打孔,作為轉(zhuǎn)軸的限位孔。將框架固定在作為底座的木板上。為了減小轉(zhuǎn)動時的摩擦,在轉(zhuǎn)軸與底座相接觸處用熱熔膠固定1個微型軸承,把轉(zhuǎn)軸的末端打磨尖細(xì),豎直放在軸承內(nèi)即可。

薄銅片的一端打孔,用螺絲固定在底座上作為電刷,仔細(xì)調(diào)整,使之與線圈的集流環(huán)接觸良好。

2.2.3 LED電流方向顯示電路部分的制作

將LED燈帶按照5紅、5綠和3紅、3綠剪成4段,構(gòu)造2個發(fā)光單元:把5紅、5綠兩段燈帶的正負(fù)極焊接在一起,無論電流從哪個方向流入總有一組LED發(fā)光,且電流方向不同,發(fā)光顏色不同。同樣的方法,利用3紅、3綠兩段燈帶構(gòu)造另一個發(fā)光單元。把2個發(fā)光單元分別粘貼到線圈與磁感線垂直的兩條邊上,把2個發(fā)光單元并聯(lián)起來,確保第1個發(fā)光單元發(fā)紅光時,第2個發(fā)光單元發(fā)綠光,表示兩邊電流的方向相反。為了能從各個方向都能觀察到LED發(fā)光情況,線圈的另一面按同樣的方法粘貼LED燈帶。最后把發(fā)光單元的正負(fù)極連同線圈的兩端焊接在集流環(huán)上。為了使線圈和發(fā)光單元獨立工作、互不影響,可給發(fā)光單元設(shè)置1個微型撥動開關(guān)。整個電流方向顯示電路的電路圖如圖3所示。

圖3 電流方向顯示電路

2.3 組裝與調(diào)試

將紅、藍(lán)兩色彩紙分別粘貼到磁鐵的N、S兩極,然后把磁鐵異名磁極相對吸附在鐵條支架的兩側(cè)。把轉(zhuǎn)動線圈的轉(zhuǎn)軸置于支架正中的限位孔和底座上表面軸承之間。仔細(xì)調(diào)節(jié)電刷的長度與角度,使之既能與線圈的集流環(huán)接觸良好,又不至于摩擦過大而影響線圈的轉(zhuǎn)動,必要時可把鉛筆芯碾成粉末,涂抹在集流環(huán)和電刷的表面以減小摩擦。

經(jīng)過多次實驗,該教具采用輸出為“5 V 1.0 A”的手機充電寶作為電源即可獲得較為理想的實驗效果。

3 利用該教具能完成的實驗及注意事項

3.1 利用該教具能完成的實驗

3.1.1 演示“通電線圈在磁場內(nèi)發(fā)生扭轉(zhuǎn)”

斷開電流方向顯示電路的開關(guān),使線圈靜止在與磁感線平行的平面內(nèi),接通電源,可看到線圈發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)(接近180°),靜止后立即向反方向擺動,最后靜止在平衡位置附近。

在分析線圈不能持續(xù)轉(zhuǎn)動的原因時,閉合電流方向顯示電路的開關(guān),可以看到AB、CD兩邊LED燈帶發(fā)出的光顏色不同(見圖4),表明兩邊燈帶中的電流方向相反,所受磁場力的方向也相反,但兩力不在同一條直線上,使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過平衡位置后,燈光的顏色不變,表明電流的方向沒有變化,所受磁場力的方向也不變,該力阻礙線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動,直至線圈靜止并向反向轉(zhuǎn)動。

圖4 AB、CD兩邊電流方向不同

3.1.2 演示“換向器的工作原理”

閉合電流方向顯示電路的開關(guān),使線圈處在沖過平衡位置后到達(dá)的地方,交換電源的正負(fù)極,可以看到AB、CD兩邊燈帶發(fā)光的顏色與原來相反,即電流的方向發(fā)生了改變,同時可以觀察到線圈繼續(xù)沿原方向轉(zhuǎn)動。

用透明絕緣膠帶在兩集流環(huán)上各纏繞半匝(或者把兩集流環(huán)均對稱地剪掉一半),使集流環(huán)成為換向器,通電后線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動。同時可以清晰地觀察到每當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過平衡位置后,AB或CD邊LED燈帶發(fā)光的顏色發(fā)生改變(見圖5),加深學(xué)生對換向器工作原理的理解。

圖5 線圈經(jīng)過平衡位置前后電流方向的變化

3.2 注意事項

線圈轉(zhuǎn)動過程中,有時會出現(xiàn)顯示電流方向的LED燈帶一色正常發(fā)光,另一顏色燈帶閃爍不定的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象多數(shù)情況下是由于電刷與集流環(huán)(或換向器)接觸不良造成的,可把鉛筆芯碾成粉末,涂抹在集流環(huán)和電刷的表面,使之始終接觸良好。

演示“換向器的工作原理”時,為了便于觀察線圈中電流方向變化情況,可以在電路中串聯(lián)1個滑動變阻器,調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值,使線圈的轉(zhuǎn)速在50 r/min以下。

4 教具的特點

本教具尺寸足夠大,可見度高,轉(zhuǎn)動靈活,實驗現(xiàn)象明顯。采用高亮度LED燈帶顯示電流方向,能為學(xué)生理解換向器的工作原理提供清晰的思維表象,降低思維難度。

教具組裝簡單,線圈、磁鐵均可以取下,滿足學(xué)生近距離觀察換向器、電刷結(jié)構(gòu)的需求。利用它還可以用來探究“電動機轉(zhuǎn)動的方向與哪些因素有關(guān)”等拓展性實驗。

教具采用雙導(dǎo)銅箔膠帶代替銅環(huán)制作轉(zhuǎn)動線圈的集流環(huán)和換向器,在高度仿真和保證實驗效果的前提下簡化了制作工藝。采用充電寶作為電源更加環(huán)保、節(jié)能。

5 結(jié)束語

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,劉炳昇教授認(rèn)為:“在物理教學(xué)中培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng),最關(guān)鍵的問題就是如何對待物理實驗”[3]。實驗不僅能為學(xué)生提供思維表象,豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗,促進(jìn)物理觀念的形成,還對學(xué)生實驗探究能力的發(fā)展、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的養(yǎng)成起著舉足輕重的作用。自制教具能彌補常規(guī)儀器的不足與缺陷,提高實驗教學(xué)的質(zhì)量與效率。利用生活中隨手可得的材料制作教具還能體現(xiàn)物理與生活的密切聯(lián)系,激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲,還能為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)作出表率?！傲⑹酵娋€圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動演示裝置”所需材料易得,制作工藝簡單,一具多用,具有較好的直觀性,有利于啟發(fā)學(xué)生的思維,突破“電動機”一節(jié)的教學(xué)難點。