語音控制的旋轉式奧斯特實驗器

浙江省海寧市行知初級中學(314415) 姚忠根

1 浙教版實驗方案存在的幾個問題

奧斯特實驗是現行中學物理教科書中的經典實驗,為了方便演示,根據浙教版8年級科學教科書的實驗方案,我們制作了集磁針、導線、開關、電源與支架為一體的手動式一體化奧斯特實驗器。教學實踐證明,手動式一體化奧斯特實驗器存在以下幾個問題。

1.1 電源短路

奧斯特實驗需要一個大的導線電流,才能引起磁針明顯偏轉。按照課本上的實驗方法用干電池短路來獲得大電流,幾次短路之后電池的電能就耗盡了,而且教科書上又說電路要避免短路,這里明顯自相矛盾[1]。用學生電源可以獲得較大的電流,但學生電源經常發生過載而斷開電源導致完不成這個實驗。

1.2 調整導線與磁針指向平行的操作比較麻煩

奧斯特實驗要求磁針靜止時和導線保持平行,由于實驗器與桌面的摩擦力較大,需要用手把實驗器抬起來做旋轉操作,這樣操作既不方便又不精準。

1.3 實驗操作時對磁針有振動干擾

奧斯特實驗需要等待磁針靜止下來以后再通電觀察電流對它的影響。按教材的實驗方法在閉合開關時有可能通過導線或底板引起磁針的振動,而磁針振動就會影響實驗觀察,分不清磁針偏轉是振動引起的還是電流引起的。

2 改進設計思路

2.1 避免短路設計

原則上可以采用大的電源電壓(如12 V以上),再串聯適當的電阻[2]的方式獲得較大電流。但是大的電源電壓成本較高,也較難小型化。我們的設計是在磁針上方形成多根同向電流導線束,從總體上增大同方向的電流強度。實際電路參數可以根據實驗確定,用1節或2節1.5 V干電池,總電壓1.5 V或3 V,串聯15 Ω或20 Ω額定功率為0.5 W的電阻,避免了短路實驗。

2.2 可旋轉設計

奧斯特實驗使用的磁針受地磁場影響,當磁針靜止下來后是南北指向的。奧斯特實驗的通電導線應當與磁針平行,以排除地磁場對磁針的影響。但實驗演示前,實驗器的導線方向并不一定是南北指向的,所以要讓磁針與導線方向平行,就要把實驗器旋轉一定的角度。由于實驗器與桌面摩擦力比較大,在桌面上用手旋轉不太方便,而把實驗器提起來旋轉又控制不好旋轉角度。因此,可以在奧斯特實驗器底部安裝一個轉盤,轉盤內裝有滾珠,轉動時摩擦力很小,可以很方便地旋轉導線的方向,使導線與磁針指向平行。

2.3 智能語音控制

智能語音控制電流的通斷和電流的方向,對減少實驗干擾有很好的效果。奧斯特實驗只有當磁針靜止下來之后,再通電觀察,才能確定磁針偏轉是電流引起的還是其他偶然因素的觸碰引起的。語音控制系統不直接接觸實驗器,實驗時等磁針靜止下來后,通過說話控制電流的通斷與方向。我們利用天問TW-ASR語音控制PLC板(帶微型喇叭)與2個自制的帶LED指示燈的繼電器模塊控制導線電流,實驗非常方便,效果也很好,對磁針幾乎沒有干擾。

3 改進設計圖與實物

3.1 電路設計圖

圖1是改進版電路設計圖,其中AB段導線部分是用單根導線同方向繞成的多股同向導線束,可以獲得較大的同向電流強度。圖2是其中AB之間這段導線的形成示意圖,利用了由單根導線繞成的線圈的上邊,AB段導線的總電流是多個同向電流之和,這樣增大了同向電流強度;線圈的下邊隱藏在奧斯特實驗器盒子的中間偏下的木板夾層中。

圖1 改進版奧斯特實驗器控制電路圖

圖2 利用線圈的上邊作為導線AB

當繼電器模塊1閉合時,繼電器模塊2同時斷開。電流流向:電源A正極-A-B-繼電器模塊1-15 Ω電阻-電源A負極。當繼電器模塊2閉合時,繼電器模塊1同時斷開。電流流向:電源B正極-B-A-繼電器模塊2-15 Ω電阻-電源B負極。

3.2 實物

圖3和圖4是制作出來的實物照片。

圖3 俯視照片

圖4 轉盤式底座

4 實驗過程與結果

針對奧斯特實驗器編寫了相應的語音控制程序,然后通過下載器將程序下載到TW-ASR控制板的單片機中。實驗器的操作方法如下。

(1)旋轉實驗器,使導線與磁針的靜止指向平行。

(2)閉合電源A與電源B的自帶開關,閉合TW-ASR控制器的電源自帶開關(圖1中沒有畫出),可以聽到歡迎詞“歡迎使用奧斯特實驗器,用奧斯特實驗器喚醒我。”

(3)等待磁針徹底靜止下來后,呼喚“奧斯特實驗器”,此時實驗器被喚醒。

(4)呼喚“電流從左邊流入”,控制電流從左邊流入的繼電器閉合,相應的LED指示燈亮,同時AB段導線電流就從左邊流入,磁針向一側偏轉(如圖5所示)。

圖5 電流從左邊流入

(5)呼喚“電流從右邊流入”,控制電流從右邊流入的繼電器閉合,相應的LED指示燈亮,同時AB段導線電流就從右邊流入,磁針向另一側偏轉(如圖6所示)。

圖6 電流從右邊流入

(6)呼喚“關閉電源”,2個繼電器都關閉,AB段導線中就沒有電流了,磁針恢復到原來靜止的南北指向狀態。

實驗結果表明,磁針按不同的電流方向朝不同方向偏轉,由于受到的磁力矩大,而摩擦力矩小,需要經過一定的振蕩時間才能穩定下來。改變磁針的質量大小,可以發現當磁針質量變小,轉動慣量也減小,所以,質量小的磁針容易快速穩定下來,但可見度要稍差。教學中可權衡利弊,選用適當大小的磁針(如圖7所示),使得實驗現象既容易較快穩定下來,又有較好的可見度。

圖7 適當大小的磁針

5 結束語

教學實踐證明,此改進版的奧斯特實驗器操作起來非常方便、演示效果也很好。奧斯特實驗的2個結論是:①電流周圍存在磁場;②磁場方向跟電流的方向有關,利用此奧斯特實驗器,這2個結論都得到了很好的驗證。