動手自制教具 給課本插圖裝上活動的翅膀
——以“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”為例

吳慶華

(江蘇省沭陽高級中學,江蘇 沭陽 223600)

課本的插圖蘊含著大量物理信息,結合課本插圖,利用自制教具進行實驗創新,給課本插圖裝上活動的翅膀,不僅可以激發學生的學習興趣,還可以突出教學重點,突破教學難點,高效培養學生的核心素養．本文以人教版普通高中課程標準教科書《物理》選修3-2“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”為例,介紹具體做法．

1 利用課本插圖,自制高頻金屬加熱與熔化器,突出教學重點

圖1

渦流的概念及其應用是本節課的教學重點,圖1是課本26頁真空冶煉爐的插圖,渦流的教學可以參照圖1自制實驗教具,演示利用渦流加熱金屬,將抽象的理論形象化．

1.1 制作過程

(1) 將銅導線繞成的螺線管,制成加熱器如圖2．

(2) 將220 V、50 Hz交變電流轉變為48 V直流電的整流設備和48 V直流電轉變為高頻(10 kHz)交流電的變頻設備組合,構成高頻交流電源．

(3) 水泵和風扇為電源散熱．

(4) 螺線管接高頻交流電源．

制成的高頻金屬加熱與熔化器,如圖3．

圖2

1.2 使用方法

將鐵片放入通電銅管繞制的螺線管內部,本來很涼的鐵片在幾秒內變紅,加熱鐵片效果如圖3所示．讓學生思考:鐵塊為什么會變紅?

本實驗讓學生獲得真實且震撼的印象,激發學生的好奇心和學習興趣,從而引入渦流的概念．結合本實驗,從理論上分析渦流的產生及其熱效應,突出教學重點．

2 利用課本插圖,自制電磁阻尼演示器,突破教學難點

圖4

圖5

電磁阻尼實例分析是本節課的教學難點,圖4是課本28頁課后習題的插圖,電磁阻尼教學可以參照圖4,自制管式電磁阻尼演示器,如圖5,供分組實驗用,讓學生動手完成．

2.1 實驗器材

鋁管(100 cm×2 cm),玻璃管(100 cm×2 cm),磁鐵,鐵塊．

2.2 使用方法

學生做3個對比實驗: ① 讓磁鐵在玻璃管中下落,② 讓普通鐵塊在鋁管中下落,③ 讓磁鐵在鋁管中下落,3根管的長度相同,分別記錄3種情況下物塊下落的時間．

觀察3個不同的實驗現象:磁鐵在鋁管中下落時間長達9 s,而鐵塊在鋁管中下落、磁鐵在玻璃管中下落較快,時間少于0.5 s．

為什么磁鐵在鋁管中下落很慢?而另外兩個下落得很快?學生自然會產生疑問:為什么會出現這樣的現象呢?引導學生利用的電磁感應知識來分析:磁鐵運動,在鋁管中產生變化的磁場,激發感生電場,鋁管自成回路,形成渦旋狀感應電流,即渦流,渦流的磁場阻礙引起感應電流的磁通量的變化,即阻礙磁鐵的運動,所以磁鐵下落慢．通過演示和理論分析,讓學生感性認識基礎上加深對電磁阻尼概念及本質的理解,有效突破本節課的教學難點．

2.3 演示開口鋁管實驗和演示直角鋁片實驗

圖6

圖7

讓磁鐵在開口鋁管下落,如圖6,觀察下落的時間．再讓磁鐵在直角鋁片上下滑,如圖7,觀察下落的時間．可以觀察到磁鐵在開口鋁管中下落和磁鐵在直角鋁上下滑,仍然較慢．

設計本實驗的目的是讓學生體會,并非只有管狀物中才產生渦流,開口的鋁管和直角鋁片中也能形成了渦流．根據電磁感應定律,由于導體形狀不同,有效面積發生變化,因而磁通量的變化率不同,渦流的強弱不同．

3 利用課本插圖,自制電磁驅動演示器,提高演示實驗的可視度

電磁驅動的實例分析是本節課教學的又一個難點,圖8為課本第27頁電磁驅動的插圖,實驗室提供演示的線框尺寸較小,可視度低．自制的電磁驅動演示器的線框,尺寸大,可視度高,如圖9．

圖8 圖9

3.1 制作過程

(1) 用木板(500 cm×120 cm×30 cm)作底座,用鐵皮制成搖把固定支架,把鋁框做成的支架固定在有轉軸端的木條底座上,在頂端打孔,將不銹鋼鋼條穿過小孔并固定在支架上,制成底座．

(2) 用鐵皮、鋼筋制成一個比鋁框稍大的U型框和搖把,用螺母將U型框與搖把固定連接,安裝在支架上,將釹鐵硼強磁體安裝在U型框上,轉動搖把能形成旋轉磁場．

(3) 在方形鋁材上鋸下一個鋁框(110 cm×110 cm×10 cm),用塑料做一同樣大小的框,從中間位置打孔,打孔處套上凹凸塑料墊圈(絕緣),用304不銹鋼條穿過孔,讓框子可以自由轉動．

3.2 使用方法

(1) 轉動搖把使U型框形成變化的磁場,處于其中的閉合鋁框也隨著轉動起來,這就是電磁驅動．

(2) 將上述鋁框換為塑料框,旋轉磁鐵,塑料框不轉動,這說明非金屬材料在磁場中不能產生感生電流,無法形成電磁驅動．

讓學生觀察、比較鋁框和塑料框在旋轉磁場中的運動情況,引導學生分析鋁框轉動的原因,生成電磁驅動概念,理解其本質．

3.3 自制鼠籠式電動機

電動機是電磁驅動重要的應用,圖10為課本28頁交流電動機的插圖,把圖9的鋁框換成鋁質鼠籠,便是鼠籠式電動機,如圖11．利用三相交流電產生旋轉磁場,就像圖11中旋轉的磁鐵的磁場一樣,驅動線圈轉動,這就是異步電動機原理．

這樣配置的線圈，連接到三相電源時能產生旋轉的磁場

一種交通感應電動機的結構

圖10

圖11

設計鼠籠式電動機教具做實驗的目的,是讓學生認識物理模型在科學技術發展中的重要作用,感受科學向技術轉化的過程．

根據課本插圖,動手自制教具,并非是一帆風順的,需要反復制作、實驗、修改、研討,最終才能制作完成．但辦法總比困難多,可以照原圖做,可以放大做,可以變通做,等等．只要勤于動手,方法得當,就一定能夠制造出合適的教具,給課本插圖裝上活動的翅膀．