通電平行直導線相互作用演示裝置①

朱向陽

(江西省信豐中學，江西　信豐　341600)

?

通電平行直導線相互作用演示裝置①

朱向陽

(江西省信豐中學，江西信豐341600)

①本文為江西省教育科學“十二五”規(guī)劃2015年度重點課題“不同學習方式對職前科學教師探究教學能力培養(yǎng)的影響研究”(課題編號：15ZD3LYB003)的階段成果之一.

名師簡介：朱向陽，江西省特級教師，江西省信豐中學首席教師，江西省物理學會第十屆理事會理事，享受贛州市政府特殊津貼專家.在國家和省級刊物上發(fā)表論文80多篇.研究方向為中學物理實驗創(chuàng)新與改進.

摘要：在直導線兩端各焊接1根柔軟導線，并讓2根直導線在豎直板面上平行地吊掛起來，設計、制作成“同向電流相互吸引、異向電流相互排斥”的演示裝置.

關鍵詞：電流間相互作用；直導線；演示實驗

在高中物理教學中，通電平行直導線相互作用演示實驗是較難做的實驗，為了提高演示效果，很多老師對此實驗進行了改進[1～7].與“點接觸轉軸式‘電流間相互作用’演示裝置”相類似的“旋轉式平行直導線型”(J2447，D-PX-Y-A)儀器，是現(xiàn)在比較成熟和效果較好的產(chǎn)品[8].但在使用中有老師發(fā)現(xiàn)該類儀器存在“同向電流相吸效果不明顯”的問題[9]，我們在使用中發(fā)現(xiàn)該類儀器最大的問題是經(jīng)常出現(xiàn)通電時一根弓形導線轉動而另一根弓形導線靜止不動的現(xiàn)象.究其原因是觸點處大電流火花放電而被氧化并形成細小的顆粒物，使兩根弓形導線點接觸的摩擦力大小不同，結果導致兩根弓形導線一動一靜的現(xiàn)象.筆者采用在直導線兩端焊接柔軟導線的方法，設計、制作成“通電平行直導線相互作用演示裝置”，避免了火花放電產(chǎn)生的問題，實驗現(xiàn)象也更加貼合教材內(nèi)容.

1裝置結構

如圖1所示，在圓盤底座的中央直立固定1根PVC線槽板作支架兼背景板.直導線兩端各焊接1根柔軟導線，各柔軟導線的另一頭分別固定在板面上、下端的4顆螺絲上，使2根直導線在豎直板面上平行地吊掛起來.板面上端2顆螺絲通過1塊銅片與1根較粗的銅質單芯導線相連接，板面下端2顆螺絲之間通過1根一頭帶鱷魚夾的膠皮導線來實現(xiàn)連接或斷開.2根直導線的中部與1根水平放置的阻力桿(輕質吸管)接觸.

圖1　演示裝置結構示意圖

2制作材料

長80cm、寬10cm的PVC線槽板1根(電工敷設線路用材)，長約250mm、直徑約1.8mm的銅導線2根，長約30mm、直徑約4mm的螺絲4顆，臺式電腦的鍵盤輸出線1根，圓盤底板1塊，初中或高中教學電源(或6V蓄電池)1個，銅片、吸管等.

3制作方法

(1) 直導線的制作

取2根長約25cm、直徑約1.8mm的銅導線作直導線，在直導線的兩端各焊接1根長約20cm的柔軟導線，各柔軟導線的另一頭焊接在1個用銅導線制成的扁形夾上.經(jīng)多次試驗，柔軟導線選用臺式電腦鍵盤輸出線的芯線比較合適.芯線的取法：用美工刀小心地將鍵盤輸出線的外層膠皮分段破開，并逐段去除破開的膠皮(注意不要劃傷里面的芯線，也不要使芯線扭轉變形).去除外層膠皮后可見有4根不同顏色(黃色、綠色、藍色、白色)的細軟多芯膠皮導線，為了便于實驗觀察，把其中1根深色的膠皮導線剪成4段(每段長約20cm)作柔軟導線(無需剝?nèi)Ь€的外層膠皮).

(2) 連接導線的制作

取1塊長約6cm、寬約1cm的銅片，用電鉆在銅片的右端開2個螺絲孔，兩孔的中心間距約2cm，銅片左端焊接(或用螺絲固定)1根長約60cm、直徑約1.8mm的銅質單芯導線，如圖1中的“單芯導線”.再用1根較粗的多芯膠皮導線作圖1中的“膠皮導線”，導線的一頭焊接1塊銅質墊片，另一頭焊接1只鱷魚夾.

(3) 支架板的制作

取1根長約80cm、寬約10cm的白色PVC線槽板作支架兼背景板，白色板面與板面上的深色導線對比分明，利于觀察導線的狀態(tài).在板面的上端和下端相距70cm處各開2個螺絲孔，兩孔的中心間距約2cm.用1個直徑約20cm的圓盤作底座，底座中央用螺絲直立固定1塊長約9.5cm、寬約為2cm和高約為8cm的木板，用于固定支架板.

(4) 演示裝置的組裝

用長約30mm、直徑約4mm的2顆螺絲把帶單芯導線的銅片固定在支架板的上端，再把2根直導線上與柔軟導線相連接的扁形夾分別夾在這2顆螺絲上，并用墊片和螺母緊固，如圖2所示.

圖2　演示裝置上端結構圖

把長約30mm、直徑約4mm的2顆螺絲分別固定在支架板下端的螺絲孔上，并把焊接在膠皮導線上的銅質墊片固定在左邊的螺絲上(膠皮導線另一頭的鱷魚夾在實驗過程中可與右邊的螺絲連接)，再把2根直導線下端與柔軟導線相連接的扁形夾分別夾在這2顆螺絲上，并用墊片和螺母緊固(如圖3).

圖3　演示裝置下端結構圖

把支架板的下端套在圓盤底座的木板上，使支架板直立在底座中央，并用螺釘把支架板的背面固定在木板上.用手指把直導線下方的柔軟導線彎曲成倒立的“7”字形(如圖3中“柔軟導線”的形狀)，用其代替教材圖示中的柔軟彈簧[10].適當調(diào)整各扁形夾的位置，使2根直導線相距1.5至2cm范圍內(nèi)，并在豎直方向上相互平行.為了防止2根直導線在實驗過程中出現(xiàn)晃動不停的現(xiàn)象，可用1根8號鐵線彎折成半線框，把半線框卡在支架板中部，再在半線框上放置1根輕質吸管作直導線的阻力桿(如圖4).實驗時適當調(diào)整半線框的傾斜度，使2根直導線輕微觸壓在阻力桿上，便能有效地阻礙直導線的晃動.

圖4　演示裝置中部結構圖

用“教學電源”(實驗室的高中或初中教學電源均可)的大電流檔(或1個6V蓄電池)作電源，

4實驗方法

把裝置下端“膠皮導線”上的鱷魚夾夾在右邊的螺絲上(如圖3)，然后用2根帶鱷魚夾的導線分別與裝置中的“單芯導線”和裝置下端左邊的螺絲相連接，2根導線另一頭的鱷魚夾分別與電源的正負極連接，2根“直導線”便并聯(lián)在電路中.接通電源，可看到通有同向電流的2根“直導線”在阻力桿上相向滑動而靠在一起；斷開電源，2根“直導線”在阻力桿上背向滑動又恢復到原來的位置.實驗現(xiàn)象表明：同向電流相互吸引.

斷開裝置下端右邊螺絲上的鱷魚夾，再把與“單芯導線”連接的鱷魚夾改夾在此螺絲上，2根“直導線”便串聯(lián)在電路中.接通電源，可看到通有異向電流的2根“直導線”在阻力桿上背向滑動而遠離開來(各自滑動約1cm)；斷開電源，2根“直導線”在阻力桿上相向滑動又恢復到原來的位置.實驗現(xiàn)象表明：異向電流相互排斥.

每次通電時間不要超過3s,防止因通電時間過長，導致柔軟導線發(fā)熱使膠皮燒焦.但斷電冷卻幾秒鐘后，又可再次通電實驗.

5結束語

用臺式電腦鍵盤輸出線的芯線作柔軟導線，并以倒立的“7”字形導線代替教材圖示中的柔軟彈簧，是成功演示“同向電流相互吸引、異向電流相互排斥”現(xiàn)象的關鍵所在.演示裝置一方面利用柔軟導線在通電時發(fā)熱致線芯和膠皮變軟的特性，使其在2根直導線相互作用力較小的情況下，也能跟隨直導線的滑動而發(fā)生形變；另一方面利用柔軟導線斷電冷卻時線芯和膠皮變硬的特性，使其在自身彈力的作用下把2根直導線拉回到原來的位置.所以，演示裝置的設計科學、合理，實驗現(xiàn)象也更加貼合教材內(nèi)容.

參考文獻：

[1] 葛宇宏.交直流載流矩形線圈相互作用演示儀[J].物理實驗，2010，30(9)：18-21.

[2] 馬桂君.電流間的相互作用實驗的意義及實驗方法[J].中學物理教學參考，2007，36(5)：16-17.

[3] 謝永強.電流間相互作用實驗的改進[J].教學儀器與實驗，2006，22(11)：16-17.

[4] 汪玉強.“電流間通過磁場發(fā)生相互作用”實驗的改進[J].物理實驗，2005，25(10)：34.

[5] 李方杰.平行導體中的電流相互作用規(guī)律的演示方法[J].物理教師，1999，20(2)：17.

[6] 施朝群，朱向陽.電流間相互作用演示實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2006，23(2)：23-24.

[7] 謝作為.點接觸轉軸式“電流間相互作用”演示裝置[J].物理實驗，2006，26(6)：31-32.

[8] 任偉德.2013年審查通過的幾項電磁學儀器行業(yè)標準概況[J].教學儀器與實驗，2014，30(9)：52-53.

[9] 沈瑞清.“同向電流相互吸引”實驗的思考和改進[J].中學物理教學參考，2014，43(1、2)：103-104.

[10] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書·物理(選修3-1)[M].北京：人民教育出版社，2010：92.