自制多功能型換向器原理演示儀

江蘇省徐州市西苑中學(221000) 楊 濤

1 前言

蘇教版九年級物理教材下冊第16章“電磁轉換”中，包含多個研究電與磁之間關系的經典實驗。其中不少概念和原理都較為抽象，對學生的思維能力和空間想象能力要求較高，教學中又缺少直觀的演示教具。尤其對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)學校，實驗器材匱乏，學生分組實驗難以開展。因此，教師的演示實驗絕不能再缺席。為此，筆者利用身邊材料，研制了換向器原理演示儀，并賦予其多種功能，方便教師在本章教學過程中連續(xù)使用，以提升實驗教學的質量。

2 制作材料

1只表面涂有絕緣層的易拉罐，2塊超薄銅片，2條長條形鋁片，2對細螺絲和螺絲帽，6～8片強磁片，2條鋼鋸條，1個由亞克力板(或木質材料)制成的約為300 mm×200 mm矩形中空線圈框，由紅色、綠色發(fā)光二極管制成的具有單向導電性的流水燈帶各1條，廢舊錄音帶，箭頭狀磁貼，熱熔膠等。

3 制作方法

(1)截取200 mm×20 mm和300 mm×20 mm的矩形亞克力板長條各6片(也可用木質材料代替)，用熱熔膠焊接成約300 mm×200 mm的矩形中空線圈框。線圈框的一邊，橫穿易拉罐體，并點膠固定，如圖1所示。

圖1 步驟(1)圖示

(2)用熱熔膠將紅、綠兩種顏色的流水燈帶，分別反向粘貼在矩形線圈框的上下表面，如圖2所示。

圖2 步驟(2)圖示

(3)用寬膠帶繞易拉罐粘貼包裹一周，以保證絕緣性。再用2塊超薄銅片各自覆蓋易拉罐體約半周，但保留銅片間的縫隙，避免2塊超薄銅片之間連接，如圖3所示，即為兩個半銅環(huán)。

圖3 步驟(3)圖示

(4)將2條流水燈帶的正負引線，分別與易拉罐上的2塊超薄銅片的表面相連，確保接觸良好，如圖4所示。

(5)在易拉罐的塑料蓋的邊緣位置，對稱打孔。用細螺絲將鋁片的一端固定到易拉罐的塑料蓋上，鉚合擰緊，如圖5所示。螺絲多出的部分正好作為電極引線，便于電源夾夾合供電。鋁片的另一端則與易拉罐上的超薄銅片貼合。以上即為電刷部分。

圖5 步驟(5)圖示

(6)用熱熔膠在矩形線圈框的左右兩側各焊接3～4塊強磁片，用以吸附鋼鋸條，如圖6所示。至此，已完成教具的制作，組裝后的教具實物圖見圖7。

圖6 步驟(6)圖示

圖7 教具實物圖

4 特點用途

4.1 教具特點

(1)結構緊湊、精巧便攜，且由低壓電源供電，不受場地限制，可供學生近距離觀察、親手操作，非常適合作為課堂演示教具。

(2)演示效果好，現象生動有趣，可視性、直觀性極強，能有效突破教學難點，幫助學生更好地理解相關原理。同時極大地激發(fā)了學生的研學興趣。如由發(fā)光二極管制成的流水燈，具有單向導電性，利用它模擬電動機的線圈，通電后的流水燈光，展示出電動機線圈在轉動過程中電流方向的變化，非常炫酷，極具吸引力。

(3)使用操作簡單，產品的綜合性、拓展性好，可用于多個內容的教學。如將鋼鋸條吸附于矩形線圈框左右兩側強磁片，視其為刀，以拉直的廢舊錄音帶為磁感線，可以直觀地模擬發(fā)電機的線圈在磁場中轉動時做切割磁感線運動，幫助學生更好地理解發(fā)電機原理。也可以為高中階段說明反電動勢做演示鋪墊。另外，將箭頭狀磁貼吸附在鋼鋸條上，調節(jié)箭頭方向，還可以模擬磁場對通電線圈的安培力作用，直觀演示電動機的轉動原理，順利建構平衡位置的概念。

(4)材料易得、成本低廉、易于制作、可重復使用，有利于培養(yǎng)學生勤儉節(jié)約和變廢為寶的意識。

(5)教師自制作品，學生極感興趣，引領示范作用顯著。

4.2 教具用途

(1)演示換向器的工作原理，即線圈剛轉過平衡位置時，立即改變線圈中的電流方向。

(2)演示發(fā)電機的電磁感應原理，即線圈在磁場中作切割磁感線運動時，產生感應電流。

(3)演示通電線圈在磁場中受安培力作用而轉動，講解電動機的平衡位置的概念。

(4)為高中階段說明反電動勢作演示鋪墊。

(5)在中空線圈框內繞制多匝漆包線，配合靈敏電流計，可以探究感應電流產生的條件、影響感應電流方向的因素。