組合式多功能電機教具的制作及運用

劉 輝 汪志榮

(安徽師范大學物理與電子信息學院,安徽 蕪湖 241002)

自制教具服務于課堂教學,需要與教科書介紹原理的插圖相似．[1]而電動機與發電機的基本原理圖具有一致性,因此可以考慮統籌設計和制作教具,實現兩種功能兼顧,[2]這樣既可以促進學生理解,也能讓學生進一步體會電動機與發電機之間的內在聯系．有人提出利用環形磁鐵、線圈及靈敏電流計等制作教具進行演示,如無換向器結構的通電線圈在磁場中擺動和有換向器結構的通電線圈在磁場中持續轉動現象,以及直流發電機和交流發電機的工作過程等,但因為線圈轉動摩擦較大,轉速不夠快,難以點亮小燈泡;[3]為增強效果,采用長方形強銣磁鐵、漆包線、銅片等材料制作電機教具,但教具結構封閉且相對固定,不利于拆解觀察內部結構和開展自主實驗探究活動．[4]以下自制組合式直流電動機與發電機一體化教具,不僅有利于認識直流電動機、直流發電機和交流發電機的工作原理,同時在結構上便于拆解和組裝,能夠直觀展示它們的內在結構．

圖1 通電線圈受力分析圖

圖2 直流電動機原理示意圖

圖3 發電機原理示意

1 教具結構設計與制作

本裝置主要由底板、磁鐵、線圈、電刷、轉動盤5個部分構成,結構如圖4．為便于拆解和組裝,5個部分結構相互獨立．具體結構設計如下．

圖4 組合式多功能電機教具結構圖

1.1 底板結構

底板由長50 cm,寬40 cm,厚1 cm的木板制作,如圖5,它是整個教具的基礎部分．在底板的橫向固定3個由PVC板制作的槽口,每個槽口都有鉆有4個直徑0.2 cm的小孔,和線圈支架上面的小孔重合,只要插入直徑同為0.2 cm的細金屬條,即可將轉動線圈固定在底板上．底板的縱向兩側各設有一個帶夾層的磁鐵底座,可以用于放置邊長10 cm,厚2 cm的強銣磁鐵,通過改變磁鐵在夾層中的位置,可改變該區域中間的磁感應強度．此外,在底板的一端,固定有4個直徑5 cm的木制圓柱,用于支撐轉動盤．

圖5 底板結構圖

1.2 線圈結構

教具設有3只帶支架的轉動線圈,如圖6所示．其中長方體支架都是由 PVC板切割而成,規格相同,高10 cm,寬6 cm,厚0.8 cm．在每個支架的上端,均鉆有一個直徑1.5 cm的小孔,孔中可安放內外徑分別為0.5 cm和1.5 cm的軸承．此外在每個支架的下端還鉆有4個直徑0.2 cm的小孔,能和底板橫向槽口上的小孔重合．

長方形結構的線圈由直徑0.4 mm的漆包線依次纏繞制成,線圈兩端各露出一定長度且刮去外漆的線頭,以便傳導電流．接著將長60 cm,直徑0.5 cm的金屬桿先橫穿線圈,兩端再分別橫穿通過支架上端的軸承內孔,線圈即可隨金屬桿一起在支架上穩定地轉動．

3個線圈的不同之處在于,線圈Ⅰ繞有約匝30漆包線,只能用于演示通電線圈在磁場中的擺動現象;線圈Ⅱ有約100匝漆包線,且在連接線圈的金屬桿上另外設有一塊直徑5 cm的圓形木塊,其邊緣包裹兩片彼此靠近而又相互絕緣的銅片,兩銅片與圓形木塊之間分別連接一段外露的銅線,以便傳導電流．這種銅片結構將與電刷一起，構成換向器,用該線圈可演示直流電動機和直流發電機的工作原理;線圈Ⅲ有約150匝漆包線,且連接線圈的金屬桿上有兩塊直徑5 cm的圓形木塊,均被長條形銅片連續包裹一圈,每個銅片與圓形木塊之間也分別連接導線,這種銅片與電刷共同構成導電結構,使該線圈可用于演示交流發電機工作原理．

線圈Ⅰ

1.3 電刷結構

電刷由直徑0.1 cm的鋁條和直徑0.5 cm的木棒制成,如圖7所示．由于鋁條具有一定的韌性,可調節其彎曲程度,因此將兩根鋁條各自纏繞在兩根木棒上,末端伸出合適的長度即可．將電刷安裝在底板中間槽口和磁鐵底座之間,兩側釘釘子固定其位置．演示直流電動機、直流發電機和交流發電機時,將兩邊的鋁條末端伸直,互相靠近,與線圈Ⅱ或線圈Ⅲ上圓形木塊邊緣的銅片緊密貼合,電刷與銅片共同構成換向器或導電結構．演示通電線圈在磁場中產生擺動時,只需將兩側的鋁條向外側彎曲,與銅片分離,亦不影響通電線圈產生擺動現象．

圖7 電刷結構圖

1.4 轉動盤結構

轉動盤由底座、木制支架、金屬輪盤和手柄等部分構成,如圖8所示,轉動盤整體安放在大底板的四根木制圓柱上．其底座由長40 cm、寬20 cm、厚1 cm的木板制成,底座中間部分挖一個長10 cm、寬2 cm的長方形區域,能使皮帶通過該區域,連接金屬輪盤與其下方轉動線圈的金屬桿部分．

圖8 轉動盤結構

金屬輪盤由直徑35 cm的小自行車輪制成,轉動輪盤,可通過皮帶帶動其下方的線圈快速轉動．金屬輪盤兩側的固定支架分別是由一塊長40 cm,寬7 cm,厚1 cm的橫向木塊和長10 cm,寬5 cm,厚1 cm的豎直木塊釘在一起制成,在兩塊豎直木塊上端均鉆有直徑1 cm的小孔,能穿過金屬輪盤的輪軸．為方便轉動金屬輪盤,在其側邊伸出的軸輪上附加一個轉動手柄結構,手柄結構由圓木片和細木棒組成．

2 教具的功能與使用

組合式多功能電機教具各部分結構之間相對獨立,采用不同的結構組合,可以實現不同的演示功能,以下是具體功能介紹．

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2.1 演示通電線圈在磁場中的擺動現象

將底板、磁鐵、線圈Ⅰ這3個結構組合起來,如圖9,可演示通電線圈在磁場中的擺動現象．

圖9 演示通電線圈在磁場中擺動

首先取下轉動盤,將電刷結構中的兩根鋁條向外側彎曲．其次,將線圈Ⅰ安裝到教具的底板上．即將其支架部分插入底板上的橫向槽口,并插入金屬條固定,然后將磁鐵安放在其底座的夾層之中．接著連接電源、導線和開關,當開關閉合時,即可觀察到線圈在磁場中的擺動現象,并最終停在“平衡位置”．根據線圈的擺動方向可以對線圈兩側的邊框進行受力分析,進而解釋為何線圈不能持續轉動．

2.2 演示直流電動機工作原理

將底板、磁鐵、線圈Ⅱ、電刷組裝起來,如圖10所示,可演示直流電動機工作原理．即在上述演示線圈擺動的基礎上,將線圈Ⅰ更換為線圈Ⅱ并固定,然后將兩側電刷向上拉直并相互靠近,使其分別與線圈Ⅱ上木塊邊緣的銅片貼合,接通電源,閉合開關,即可觀察到線圈的持續轉動．

圖10 演示直流電動機工作原理

在線圈轉動過程中,通過滑動變阻器調節電路中的電流大小,以及調節兩塊磁鐵間距,都可以觀察到線圈轉速發生變化,說明電流和磁場強弱影響了電動機的轉速．通過調換電源正負極和磁鐵的兩極,也可以觀察到線圈轉動方向發生變化,說明電動機的轉向跟電流方向和磁場方向有關．

2.3 演示直流發電機工作原理

采用底板、磁鐵、線圈Ⅱ、電刷、轉動盤的組合方式,如圖11所示,可用于演示直流發電機工作原理．即在演示直流電動機工作的基礎上,首先將電源換成兩個按不同方向接入的發光二極管,接著組裝轉動盤．然后通過皮帶將金屬輪盤和其下方線圈的金屬桿連接起來,轉動金屬輪盤的手柄,即可通過皮帶帶動與金屬桿連接的線圈轉動,使線圈作“切割磁感線”運動,進而使二極管發光．往不同方向旋轉手柄,可以觀察到發光的二極管不一樣,說明感應電流的方向和線圈“切割磁感線”的方向有關．

圖11 演示直流發電機工作原理

2.4 演示交流發電機的工作原理

采用底板、磁鐵、線圈Ⅲ、電刷、轉動盤的組合方式,可用于演示交流發電機工作原理．即在演示直流發電機工作的基礎上,將線圈Ⅱ更換成線圈Ⅲ并采用同樣的方法固定．然后轉動手柄,通過皮帶帶動線圈轉動,讓線圈作“切割”磁感線運動,即可觀察到兩個二極管交替發光,說明在此過程中,感應電流的方向在不斷變化．

3 自制教具的特點

組合式多功能電機教具具有以下特點.

(1) 以教科書插圖模型為依托,更加形象直觀.

傳統演示儀器體積小,與教科書插圖有較大出入．而在直流電動機工作原理這一節內容中,教科書在給出通電線圈在磁場中的受力分析圖之前,學生并未學習如何判斷通電導線在磁場中的受力方向——左手定則，[5]因此對直流電動機中線圈邊框的受力分析一直是教學難點所在．組合式多功能電機教具體積較大,便于觀察,且與教科書插圖聯系緊密,方便教師根據實際轉動的情況對線圈邊框進行受力分析,突破難點．

(2) 功能齊全,可以開展多種實驗演示.

傳統電動機或發電機教具,功能單一,只能做一種用途．組合式多功能電機教具集多種功能于一身．既可以演示無換向器時通電線圈在磁場中的擺動,又可以演示有換向器時線圈的持續轉動,即直流電動機的工作原理．同時還可以演示直流發電機、交流發電機的工作過程．這種設計方式可以幫助學生更好的理解、體會電動機和發電機之間的區別與聯系．

(3) 結構可拆解,具有更強的開放性、探究性和啟發性.

已有關于電機教具的結構都比較固定,只能起到演示作用,不具備足夠的開放性、探究性和啟發性．組合式多功能電機教具各部分在結構上相對獨立,便于拆解和組裝．一方面,可以幫助學生在觀察電動機、發電機工作過程中,清晰地了解其內部結構及其作用,開放性強;另一方面,可以引導和啟發學生在原有教具的基礎上進一步自主完善其功能．例如,前文圖6中,線圈Ⅱ只有一組線圈,在演示直流電動機工作過程時可能會遇到扭矩為零的情況,受力穩定性較差．可以通過增加線圈的個數,將原來的一組線圈變成兩組或多組線圈,還可以將永磁體更換成電磁鐵,從而實現更快、更穩定的轉動,而這種結構就和日常生活中使用的有刷直流電動機的結構更加相似．

(4) 材料易得,方便學生自主動手完成制作.

傳統電動機教具的底板、線圈、磁鐵等結構往往是在工廠中利用特定的儀器工具等進行加工制作,師生難以在課下利用身邊常見的工具完成．組合式多功能電機教具每個部分的材料,如木板、細木棒、磁鐵、漆包線、鋁條、膠水、釘子、電鉆、鋸子等工具和原料,都比較簡單易得,加工制作過程也無需特定給復雜儀器,因此也便于學生自主動手嘗試．電動機與發電機本身與生活聯系緊密,如果可以讓學生在課下自主動手嘗試完成,也能更好地認識科學、技術與社會間的緊密聯系．