正弦式交流電影響因素的定量探究

耿宜宏 孫麗平

(江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213161)

1 問題的提出

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要手段,也是物理學(xué)科教學(xué)的必然要求．新一輪物理教學(xué)改革中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性和必要性,在新老人教版“交變電流”一節(jié)的教學(xué)中,都是用教學(xué)用手搖發(fā)電機(jī)觀察產(chǎn)生的交流電的方向,對(duì)于正弦式交流電的產(chǎn)生和影響因素的研究停留在理論探究階段,雖然實(shí)驗(yàn)室中的手搖發(fā)電機(jī)(如圖1)能產(chǎn)生交流電,但其存在幾個(gè)缺點(diǎn):第一,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜(如圖2),與教材中交流發(fā)電機(jī)示意圖不一致,學(xué)生難以理解;第二,手搖發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電無論是用示波器還是電壓傳感器觀察,得到的交流電的波形都不是正弦波(如圖3),理論無法得到驗(yàn)證;第三,手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢無法進(jìn)行定量探究．

圖1 用發(fā)電機(jī)觀察交變電流的方向

圖2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 手搖發(fā)電機(jī)電壓波形

為此筆者設(shè)計(jì)并制作了一種能產(chǎn)生并定量探究影響正弦式交流電的電動(dòng)勢大小的裝置以解決上述幾個(gè)問題．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)基于線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場方向的軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生正弦式交流電而設(shè)計(jì)的．

圖4 勵(lì)磁線圈

勻強(qiáng)磁場B:實(shí)驗(yàn)中采用自制的亥姆霍茲線圈來提供勻強(qiáng)磁場．理論證明,當(dāng)兩線圈之間的距離與線圈的直徑相等時(shí)其中間區(qū)域?yàn)閯驈?qiáng)磁場,且其磁感應(yīng)強(qiáng)度B與勵(lì)磁電流I成正比．利用學(xué)生電源串聯(lián)一只電流表給兩個(gè)500匝的勵(lì)磁線圈供電(如圖4),通過改變勵(lì)磁電流I的大小來改變磁場B的強(qiáng)弱．

線圈面積S:用3D打印出3個(gè)相同大小的線圈(長6 cm、寬5 cm、高2 cm),在第1個(gè)線圈上繞50匝、第1、2個(gè)線圈組合后錯(cuò)開平行繞50匝,3個(gè)線圈組合后再錯(cuò)開平行繞50匝,這樣在匝數(shù)相同的情況可以得到3個(gè)不同的面積大小(如圖5)．

線圈的匝數(shù)N: 3個(gè)線圈組合后繞制100匝、150匝、200匝和250匝,通過接入不同接線柱來改變匝數(shù)．(如圖6)

圖5 線框面積

圖6 線圈匝數(shù)

轉(zhuǎn)速n(角速度ω):將線圈固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,利用可調(diào)轉(zhuǎn)速且?guī)?shù)顯的電機(jī)(如圖7)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng),通過改變不同的轉(zhuǎn)速從而改變角速度的大小．

電刷:旋轉(zhuǎn)線框產(chǎn)生的交流電通過360度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電滑環(huán)(如圖8)導(dǎo)出到電壓傳感器,利用DIS實(shí)驗(yàn)軟件記錄交流電電壓波形圖,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．

圖7 可調(diào)轉(zhuǎn)速數(shù)顯電機(jī)

圖8 導(dǎo)電滑環(huán)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示,其俯視原理圖如圖10所示．

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖10 實(shí)驗(yàn)原理圖

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)1:利用實(shí)驗(yàn)裝置得到交流電電壓波形,利用DIS軟件中的圖線分析中的“擬合”功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的交流電是否為正弦式交流電;

實(shí)驗(yàn)2:定量探究正弦交流電的電動(dòng)勢最大值的影響因素．利用控制變量法研究正弦式交流電的最大值Em與磁感應(yīng)強(qiáng)度B(勵(lì)磁電流I)、線圈匝數(shù)N、線圈面積S、轉(zhuǎn)速n的關(guān)系．

4 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論

4.1 產(chǎn)生正弦交流電

調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈電流大小為1.60 A,線圈面積3S、匝數(shù)為250匝、轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn),利用DIS軟件中的電壓傳感器記錄產(chǎn)生的電壓波形,并應(yīng)用數(shù)據(jù)處理中的“擬合”發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)圖線與正弦擬合圖線基本重合(如圖11),實(shí)驗(yàn)證實(shí)裝置產(chǎn)生的交流電為正弦式交流電．一方面實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論探究的正確性;另一方面加深了學(xué)生對(duì)正弦式交流電的波形圖和產(chǎn)生原理的認(rèn)知,有助于學(xué)生自主構(gòu)建物理觀念,是對(duì)理論推導(dǎo)的有效驗(yàn)證．

圖11 實(shí)驗(yàn)圖線與正弦擬合圖線對(duì)比

4.2 定量探究正弦式交流電電動(dòng)勢最大值影響因素

從交流電的圖像中,學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓值一直改變,但最大值不變,可利用圖線分析的“其他處理”中的“最大值”讀取交流電最大值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程,猜想影響正弦式交流電電動(dòng)勢最大值的因素,提出利用控制變量法探究正弦式交流電的最大值Em與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、線圈匝數(shù)N、轉(zhuǎn)速n、線圈面積S的關(guān)系．

4.2.1 探究正弦式交流電電動(dòng)勢最大值Em與線圈面積S的關(guān)系

保持勵(lì)磁電流1.60 A,匝數(shù)50匝、轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)不變,改變接入線框面積．其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1,利用Excel作出Em-S關(guān)系圖線如圖12．

表1 Em-S關(guān)系

圖12 Em-S關(guān)系

4.2.2 探究正弦式交流電電動(dòng)勢最大值Em與線圈匝數(shù)N的關(guān)系

保持勵(lì)磁電流1.60 A,線框面積3S、轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)不變,改變接入匝數(shù)．其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2,利用Excel作出Em-N關(guān)系圖線如圖13．

表2 Em-N關(guān)系

圖13 Em-N關(guān)系

4.2.3 探究正弦式交流電電動(dòng)勢最大值Em與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系

保持線框面積3S,匝數(shù)250匝、轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)不變,改變接入勵(lì)磁電流I,間接改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B．其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3,利用Excel作出Em-I關(guān)系圖線如圖14．

表3 Em-I關(guān)系

圖14 Em-I關(guān)系

4.2.4 探究正弦式交流電電動(dòng)勢最大值Em與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系

保持勵(lì)磁電流1.60 A,線框面積3S,匝數(shù)250匝不變,改變轉(zhuǎn)速．其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4,利用Excel作出Em-n關(guān)系圖線如圖15．

表4 Em-n關(guān)系

圖15 Em-n關(guān)系

結(jié)論:由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得,正弦式交流電的最大值Em與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、線圈匝數(shù)N、轉(zhuǎn)速n、線圈面積S成正比．

5 實(shí)驗(yàn)誤差及改進(jìn)方向

誤差是實(shí)驗(yàn)中不可避免的問題,也是實(shí)驗(yàn)真實(shí)性的體現(xiàn)．通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析,認(rèn)為導(dǎo)致誤差的原因主要有以下3點(diǎn): (1) 即使是先進(jìn)的DIS實(shí)驗(yàn)器材,仍使電壓值的測量存在一定誤差,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明電壓值越小,相對(duì)誤差越大．后期改進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí),可增加線圈匝數(shù)、增加勵(lì)磁電流、增加轉(zhuǎn)速等提升電壓值,減小實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差; (2) 在制作工藝上,線圈采用手工繞制,松緊難以保持完全一致,對(duì)線圈面積變化導(dǎo)致誤差存在．匝數(shù)的多少對(duì)面積也有一定的影響．150匝線圈在繞制時(shí)分在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩側(cè),誤差明顯很大,故數(shù)據(jù)未放入表格處理．(3) 在探究正弦式交流電電動(dòng)勢最大值Em與線圈面積S的關(guān)系時(shí),由于三個(gè)不同大小的線圈是平行錯(cuò)開繞制,雖然保持了面積關(guān)系,但各自的轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置出現(xiàn)了偏差,數(shù)據(jù)擬合直線不通過坐標(biāo)原點(diǎn),出現(xiàn)明顯的誤差．

另外,由于條件限制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少,如面積參量僅有三組數(shù)據(jù),后期改進(jìn)應(yīng)努力克服制作工藝上的困難,增加參量變化范圍,讓實(shí)驗(yàn)更為科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)．

6 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)不僅通過實(shí)驗(yàn)得到了正弦交流電,有助于學(xué)生自主建構(gòu)交流電的相關(guān)物理概念,同時(shí)完善了教材中關(guān)于正弦式交流電產(chǎn)生原理和電動(dòng)勢瞬時(shí)值表達(dá)式僅有理論推導(dǎo)的缺憾,增加了交流電定量探究實(shí)驗(yàn),形成了完善、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究過程．