低成本物理創新實驗之簡易電動機的再改進

王太軍 唐忠敏

(1. 西北師范大學教育學院物理教育研究所，甘肅 蘭州 730070; 2. 西北民族大學預科教育學院物理教研室，甘肅 蘭州 730030)

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·初中園地·

低成本物理創新實驗之簡易電動機的再改進

王太軍1唐忠敏2

(1. 西北師范大學教育學院物理教育研究所，甘肅 蘭州 730070; 2. 西北民族大學預科教育學院物理教研室，甘肅 蘭州 730030)

已有電動機教學實驗效果不明顯,在教學應用中有諸多局限．新設計與改進的簡易電動機,無需電刷、無需導線連接,啟停過程中均無短路現象,安全性較高,實驗效果明顯,可操作性極強,學生親自參與制作,便于提升科學素養和實踐能力．

低成本； 創新物理實驗； 簡易電動機； 設計制作

圖1 教科書中的“電動機”

“電動機”是人民教育出版社9年級物理教科書(下稱“教科書”)第20章第4節的教學內容．該節內容的導入部分“想想做做”中給出了簡易電動機的制作方法及過程．[1]把一段粗漆包線繞成矩形線圈,漆包線在線圈的兩端各伸出一部分．然后去掉線圈兩端引線的漆皮,左端全部刮掉,右端只刮上半周或下半周．將線圈放置于架在強磁鐵兩端的金屬絲支架上,并通過金屬絲支架分別與電池的兩極相連,給線圈通電并用手輕推一下,線圈就會不停地轉下去,如圖1所示．

1 已有簡易電動機的缺陷與不足

在實際教學中,根據教科書內容來做這個電動機的實驗,現象與效果并不理想，主要有以下幾方面困難.

(1) 漆包線刮漆不均勻，接觸不良,線圈不能持續轉動．實驗中選用的漆包線一般為鍍漆銅線,漆層為絕緣層且覆蓋較緊密,與銅線顏色差異不明顯,若刮漆不均勻,實驗很難取得明顯的效果．

(2) 很難控制線圈的轉動平衡．線圈繞制一般是手工制作,很難精確控制轉動所需要的平衡,故轉動時常有上下顛簸以致于不能持續轉動．

(3) 摩擦較大，轉動不易持續．線圈轉動時與金屬絲支架的摩擦較大,轉動不易持續維持．為減小摩擦,通常會選用更細的金屬絲來制作支架和線圈,但更細的金屬絲導致結構性更弱,不足以支撐線圈重量,轉動時容易坍塌而導致實驗失敗．

(4) 短路造成電池損耗嚴重．在通電后用手推線圈之前,線圈不能立即轉動,在很多情況下此時電路是處于短路狀態,電流過大,電池內部發熱嚴重,耗損過大,常會遇到實驗尚未進行多久電池已無足夠電量的問題,造成實驗現象很不明顯．若學生單獨做該實驗,短路還容易引發其他危險．

因此,有不同學者開始了各種簡易電動機改進的實驗嘗試,如改進的“中”字型線圈、[2]用帶孔的金屬片代替金屬絲支架以增強結構強度等．[3]從整體來看,已有用于物理教學的簡易電動機主要有3種具有代表性的類型,如圖2中(a)、(b)、(c)所示．[4]其中圖2(a)所示的是金屬支架上放置線圈一類的簡易電動機,與原教科書中的實驗連接較為近似,這類簡易電動機雖無其他導線連接,較為簡便,但是用手捏緊金屬架短路瞬間發熱容易灼傷皮膚; 圖2(b)所示的是用鐵釘、強力磁鐵、導線、電池做成的一類簡易電動機,用柔軟導線作為電刷,鐵釘與磁鐵整體轉動,其原理有研究進行過討論,[5]在此不展開,這類電動機在實際應用中容易出現因磁力較弱鐵釘與磁鐵掉落,或在轉動過程中因磁力太強磁鐵直接吸附在電池上,實驗效果不太理想; 圖2(c)所示的是單匝圓環線圈置于被磁鐵吸附的電池上,這樣圓環線圈底部貼在磁鐵側面做錐擺運動,該類電動機在實際應用中,容易出現線圈通常不能均勻持續運動,原因在于線圈和磁鐵的摩擦力較大不容易克服,若增加電池數量或更換更強磁鐵又容易使得線圈受力過大造成線圈脫離磁鐵,不能良好接觸,實驗現象亦不明顯．

圖2 3種類型簡易電動機示意圖

2 創新簡易電動機的設計與制作

2.1 設計原理

為解決上述簡易電動機在物理教學應用中的不足,筆者經過長期的嘗試與實踐,設計出了一種新型的簡易電動機．該簡易電動機模型主要由單匝鋁框、電池、釹鐵硼磁鐵構成,鋁框頂部彎折處制成尖端放置于電池正極上,鋁框底部制成與鋁框所在平面垂直的圓環,圓環的直徑略大于柱形磁鐵的直徑,兩節電池之間和電池正極處加有環形磁鐵作限位、連接導電之用,如圖3所示．該簡易電動機靜止時,形成以尖端為支點的靜止的“單擺”,若要使其工作,則只需輕輕向鋁線框底部的圓環吹氣或用手輕推圓環,運動過平衡位置的圓環內側貼靠柱形磁鐵(釹鐵硼磁鐵為良性導體),電路接通,鋁線框受力如圖4所示(為簡便,圖中未標出另外兩個磁場一致的環形磁鐵,實際效果增強),鋁線框立即轉動起來．由于“單擺”回復力作用,圓環內側往復貼靠柱形磁鐵,鋁線框就持續轉動起來．

1 鋁環 2 鋁線框 3 環形磁鐵 4 支點尖端 5 電池 6 柱形磁鐵圖3 改進的簡易電動機模型

圖4 通電瞬間線框受力圖

2.2 材料與制作

制作該新型簡易電動機所需主要材料及其型號規格參數如表1所示．

表1 所需材料及其參數

注: 表中φ表示直徑,l表示長度,d表示厚度(高度);鋁線可用粗銅線代替．

制作安裝要點如下.

(1) 選取1根直徑2mm、長約42cm的去皮鋁導線(可從常見家用鋁電線中獲得),先對折,再制作成圖3中所示線框形狀的鋁線框,并在頂端中點彎折處鉗制成尖端狀．要求尖端支點兩邊的線框長度大致相等,鋁線框底部的圓形線圈直徑大約2.5cm,使之略大于柱形磁鐵的直徑1.6cm．

(2) 選取兩節5號“南孚”牌電池,并用內徑約5mm的環形釹鐵硼強力磁鐵將兩節電池串聯吸附固定形成電池組,在電池組的正極處再置入一枚內徑約5mm的環形釹鐵硼強力磁鐵,為限制鋁線框尖端在轉動時不滑落;在電池組的負極放置柱形釹鐵硼磁鐵．注意根據磁極“同極相斥、異極相吸”的原理,調整并使得電動機構造中3處磁鐵的磁場方向一致,因為一致的磁場對通電鋁線框的作用力才能一致．

(3) 將鋁線框底部圓環部分緩慢套入電池組,并使其頂部尖端置于電池組正極環形磁鐵內孔之中,新的簡易電動機就安裝完成了,如圖5(a)示．“萬事俱備只欠東風”,這時只需要輕輕吹動線框底部鋁環,或用手輕推線框使鋁環靠在柱形磁鐵上就立即轉動起來,如圖5(b)示．

圖5 改進簡易電動機的安裝與調試

2.3 創新改進后的主要優點

本文改進的新型簡易電動機在實際教學運用中實驗現象突出,教學效果明顯,除此之外,還具有以下優點.

(1) 該電動機轉動過程中摩擦較小,轉動頻率較快,實驗現象明顯,尤其是避免了已有類似簡易電動機中用粗金屬絲做成的非閉合半圓形電刷,直接與柱形磁鐵接觸時摩擦較大、短路且轉動不流暢的現象．

(2) 裝置的整體結構性極強,采用兩節電池豎直串聯方式,由于電池正極磁鐵限位孔和負極套環共同作用,線框轉動時更不易脫落．且對制作精度要求不高,即使制作的鋁線框及圓環在頂部支點兩側分布不均勻,該簡易電動機仍然能穩定運轉．更重要的是,制作時可以將線框尺寸再按比例放大數倍,做成大尺寸大直徑的簡易電動機,便于學生觀察和分析,實驗演示效果更“震撼”、更明顯,完全靈活滿足物理教學所需,這是已有類似簡易電動機不能滿足的．

(3) 方便快捷,安全高效．創新改進后簡易電動機,克服已有類似電動機啟動前常處于短路狀態的現象,減少電池電能消耗,具有較高的安全性．同時采用多節電池連接,較之以往類似簡易電動機,運轉表現得更為持久有力．可根據實際需要隨時增加電池數量,只需增加相應連接磁鐵即可,無需連接導線,組裝與拆卸一氣呵成,可在數秒內完成,方便快捷．

此外,取材簡便,成本低廉,也是本實驗裝置的另一特點．學生可親自制作,該實驗可作為學生課內外科學制作活動內容,激發學生物理學習興趣,培養學生創新精神和實踐能力．源于生活,高于生活,回歸于生活,是提升中學生物理核心素養的重要實踐路徑,讓學生充分體驗生活中“低成本”物理實驗帶來的“大智慧”．

1 課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心.物理(9年級全一冊)[M].北京:人民教育出版社,2013.

2 劉偉. 制作簡易直流電動機[J]. 物理實驗,2006(12)：23-24.

3 陳鐵松. 簡易電動機的制作[J]. 物理實驗,2001(06)：28.

4 劉劍鋒,董艷輝. 最簡單的電動機賞析[J]. 物理教師,2010(01)：25-26.

5 陳旭.簡易電動機的理論分析與實驗驗證[J].大學物理,2013(8)：50-54.

2016-12-08)