簡易直流、交流電動機制作

王理想 郭淑勤

(1. 新疆師范大學附屬中學，新疆 烏魯木齊 830054； 2. 烏魯木齊第六十八中學，新疆 烏魯木齊 830011)

直流、交流兩類簡易電動機制作取材簡便，制作簡易，原理明晰.課堂上自制簡易電動機實驗能帶給學生更多的體驗、新鮮感、成功感，激發學生物理學習興趣，培養學生創新精神、實踐能力、合作意識.物理課堂生活化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的“低成本”物理實驗帶來的“大智慧”.通過教學實踐，科學合理選擇材料，利用課堂時間學生可分組完成電動機的制作，成功率高，課堂教學效果使學生收益最大化.學生建立了物理觀念，形成了科學的物理思維，能靈活運用物理知識來解決生活中的實際問題.

1 簡易直流電動機制作

1.1 工作原理

圖1

簡易直流電動機的原理是磁場對通電導體的作用力使得電動機上的線圈繞軸轉動.如圖1方形線框上下兩條邊導線中的電流相反，置于磁場中，兩邊受力方向相反形成力矩，使得線框轉動.簡易直流電動機線圈轉動的方法1：電流周期性換向法(換向器)，當ab、dc邊從圖1位置轉至水平，電流換向，之后ab受力向右、dc邊受力向左，線框持續逆時針轉動；方法2是半周通電法：當ab、dc邊從圖1位置轉至水平，斷電，靠慣性甩過180°后再通電，線框持續逆時針轉動.

1.2 制作材料

泡沫板1塊、曲別針2個，干電池1節；鱷魚夾導線2根；85 cm左右0.63 mm漆包線1條；小刀1把；磁鐵1條.

1.3 制作步驟

(1) 漆包線繞干電池纏繞4或5圈(如圖2)，制成大約6 cm×3.2 cm左右的矩形線圈，在線圈的兩端各伸出約3 cm左右的引線.用小刀刮去兩端引線的漆皮，一側端全部刮掉，另一側端刮去半周即可.

(2) 曲別針拉直其中一部分制成支架，插在泡沫板上，線圈放在支架上，用鱷魚夾夾住曲別針低部與電池連接好串聯電路(如圖3).

圖2

圖3

圖4

(3) 手持條形磁鐵放在線圈的上方或周圍合適的方位，閉合開關，輕推一下線圈，線圈就會繞軸轉動起來.(如圖4).

制作簡易直流電動機的過程中，出現問題的有：刮漆面不徹底導致接觸不良；兩側漆面刮漆沒有實現半周通電法；操作中開始位置通電線圈受力位置與線圈處于同一平面內轉不起來等問題.學生自制簡易直流電動機成功率較高.

1.4 高考試題中的直流電電機模型

圖5

例1.(2017年全國Ⅱ卷理綜第21題)某同學自制的簡易電動機示意圖如圖5所示．矩形線圈由一根漆包線繞制而成，漆包線的兩端分別從線圈的一組對邊的中間位置引出，并作為線圈的轉軸．將線圈架在兩個金屬支架之間，線圈平面位于豎直面內，永磁鐵置于線圈下方．為了使電池與兩金屬支架連接后線圈能連續轉動起來，該同學應將

(A) 左、右轉軸下側的絕緣漆都刮掉.

(B) 左、右轉軸上下兩側的絕緣漆都刮掉.

(C) 左轉軸上側的絕緣漆刮掉，右轉軸下側的絕緣漆刮掉.

(D) 左轉軸上下兩側的絕緣漆都刮掉，右轉軸下側的絕緣漆刮掉.

2 簡易交流異步電動機制作

2.1 工作原理

簡易交流異步電動機利用電磁驅動原理.異步電動機工作時，旋轉磁場與轉子之間存在相對運動時，由于電磁感應現象使的轉子中產生感應電流(渦流)，產生電磁轉矩，從而實現電能、磁場能、機械能之間的轉換，驅動轉子轉動.由于轉子的轉速相對旋轉磁場的轉速滯后，所以稱它為異步電動機.

簡易交流異步電動機主要由兩個自制線圈和電容器構成.通過電容移相作用，將單相交流電分離出另一相，相位差90°的兩相交流電.兩相交流電分別流入兩個成近90°的線圈中，就在空間內形成旋轉的磁場，旋轉磁場在轉子(鐵絲陀螺)內產生感應電流(渦流).由楞次定律知感應電流產生的磁場與旋轉磁場方向是相反的，由此轉子(鐵絲陀螺)被旋轉磁場推拉進入旋轉狀態.

2.2 制作材料

兩條0.63 mm漆包線；每條長約15 m；光碟1個；螺栓螺母各2個；螺栓長約6 cm；膠槍；學生電源；自制直徑約5 cm鐵絲陀螺1個；430 μF電容1個.

2.3 制作步驟

(1) 漆包線纏繞在螺母上制作兩個線圈，圈數要多足以產生較大的磁力，按圖6連接好電路.

(2) 鐵絲陀螺放在光盤的中心的圓孔內，利用光盤中心的圓孔，阻擋鐵絲陀螺轉動過程中因受力不均衡被線圈吸附.通電調試，調整好線圈角度及位置，鐵絲陀螺轉動起來，此時用膠槍把線圈粘在光盤上，如圖7所示.

圖6

圖7

在實際制作過程中，出現問題有線圈圈數不足導致短路;交流電壓低導致磁力不夠強帶不動鐵絲陀螺；電容器容量與自制線圈不匹配導致兩個線圈的磁力差距太大導致鐵絲陀螺轉動不了或轉速慢等問題.加大線圈圈數或調換不同容量的電容器即可.學生制作成功率高，用的時間相對制作簡易直流電動機長的多.

2.4 高考試題中的交流異步電動機模型

圖8

例2.(2015年全國Ⅰ卷理綜第19題)1824年，法國科學家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”.實驗中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針，如圖8所示.實驗中發現，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時，磁針也隨著一起轉動起來，但略有滯后.下列說法正確的是

(A) 圓盤上產生了感應電動勢.

(B) 圓盤內的渦電流產生的磁場導致磁針轉動.

(C) 在圓盤轉動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發生了變化.

(D) 圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流，此電流產生的磁場導致磁針轉動.

解析： 本題考查電磁感應現象中感應電動勢產生的條件，電磁驅動等知識點.圓盤可看成很多小圓面組成，相對于小磁針運動則會在小圓面上引起磁通量的變化，產生感應電動勢形成渦流，故(A)正確.圓盤上產生感應電流(渦流)，其周圍產生磁場，則磁針在轉動的磁場力的作用下開始轉動起來，故(B)正確，(D)錯誤.在圓盤轉動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量為0，故(C)錯誤.

物理實驗教學應讓學生親歷知識形成的過程，才能發展學生的科學思維，符合學生的認知水平和認知規律，進而解決生活中的實際問題.在物理實驗儀器介紹的教學中，教師也應注重儀器的原理、結構和使用方法等內容介紹.簡單的實驗儀器應注重其創造制作的過程，應以構建實驗模型讓學生親手制作，以至于學生的思維得到發散，動手創造能力得到鍛煉.