低成本物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)之簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的再改進(jìn)

王太軍 唐忠敏

(1. 西北師范大學(xué)教育學(xué)院物理教育研究所，甘肅 蘭州 730070; 2. 西北民族大學(xué)預(yù)科教育學(xué)院物理教研室，甘肅 蘭州 730030)

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·初中園地·

低成本物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)之簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的再改進(jìn)

王太軍1唐忠敏2

(1. 西北師范大學(xué)教育學(xué)院物理教育研究所，甘肅 蘭州 730070; 2. 西北民族大學(xué)預(yù)科教育學(xué)院物理教研室，甘肅 蘭州 730030)

已有電動(dòng)機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果不明顯,在教學(xué)應(yīng)用中有諸多局限．新設(shè)計(jì)與改進(jìn)的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),無(wú)需電刷、無(wú)需導(dǎo)線連接,啟停過(guò)程中均無(wú)短路現(xiàn)象,安全性較高,實(shí)驗(yàn)效果明顯,可操作性極強(qiáng),學(xué)生親自參與制作,便于提升科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力．

低成本； 創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)； 簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)； 設(shè)計(jì)制作

圖1 教科書中的“電動(dòng)機(jī)”

“電動(dòng)機(jī)”是人民教育出版社9年級(jí)物理教科書(下稱“教科書”)第20章第4節(jié)的教學(xué)內(nèi)容．該節(jié)內(nèi)容的導(dǎo)入部分“想想做做”中給出了簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的制作方法及過(guò)程．[1]把一段粗漆包線繞成矩形線圈,漆包線在線圈的兩端各伸出一部分．然后去掉線圈兩端引線的漆皮,左端全部刮掉,右端只刮上半周或下半周．將線圈放置于架在強(qiáng)磁鐵兩端的金屬絲支架上,并通過(guò)金屬絲支架分別與電池的兩極相連,給線圈通電并用手輕推一下,線圈就會(huì)不停地轉(zhuǎn)下去,如圖1所示．

1 已有簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的缺陷與不足

在實(shí)際教學(xué)中,根據(jù)教科書內(nèi)容來(lái)做這個(gè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn),現(xiàn)象與效果并不理想，主要有以下幾方面困難.

(1) 漆包線刮漆不均勻，接觸不良,線圈不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)．實(shí)驗(yàn)中選用的漆包線一般為鍍漆銅線,漆層為絕緣層且覆蓋較緊密,與銅線顏色差異不明顯,若刮漆不均勻,實(shí)驗(yàn)很難取得明顯的效果．

(2) 很難控制線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)平衡．線圈繞制一般是手工制作,很難精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的平衡,故轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)常有上下顛簸以致于不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)．

(3) 摩擦較大，轉(zhuǎn)動(dòng)不易持續(xù)．線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與金屬絲支架的摩擦較大,轉(zhuǎn)動(dòng)不易持續(xù)維持．為減小摩擦,通常會(huì)選用更細(xì)的金屬絲來(lái)制作支架和線圈,但更細(xì)的金屬絲導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性更弱,不足以支撐線圈重量,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)容易坍塌而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失?。?/p>

(4) 短路造成電池?fù)p耗嚴(yán)重．在通電后用手推線圈之前,線圈不能立即轉(zhuǎn)動(dòng),在很多情況下此時(shí)電路是處于短路狀態(tài),電流過(guò)大,電池內(nèi)部發(fā)熱嚴(yán)重,耗損過(guò)大,常會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)尚未進(jìn)行多久電池已無(wú)足夠電量的問題,造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很不明顯．若學(xué)生單獨(dú)做該實(shí)驗(yàn),短路還容易引發(fā)其他危險(xiǎn)．

因此,有不同學(xué)者開始了各種簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)嘗試,如改進(jìn)的“中”字型線圈、[2]用帶孔的金屬片代替金屬絲支架以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等．[3]從整體來(lái)看,已有用于物理教學(xué)的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)主要有3種具有代表性的類型,如圖2中(a)、(b)、(c)所示．[4]其中圖2(a)所示的是金屬支架上放置線圈一類的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),與原教科書中的實(shí)驗(yàn)連接較為近似,這類簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)雖無(wú)其他導(dǎo)線連接,較為簡(jiǎn)便,但是用手捏緊金屬架短路瞬間發(fā)熱容易灼傷皮膚; 圖2(b)所示的是用鐵釘、強(qiáng)力磁鐵、導(dǎo)線、電池做成的一類簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),用柔軟導(dǎo)線作為電刷,鐵釘與磁鐵整體轉(zhuǎn)動(dòng),其原理有研究進(jìn)行過(guò)討論,[5]在此不展開,這類電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)因磁力較弱鐵釘與磁鐵掉落,或在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中因磁力太強(qiáng)磁鐵直接吸附在電池上,實(shí)驗(yàn)效果不太理想; 圖2(c)所示的是單匝圓環(huán)線圈置于被磁鐵吸附的電池上,這樣圓環(huán)線圈底部貼在磁鐵側(cè)面做錐擺運(yùn)動(dòng),該類電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中,容易出現(xiàn)線圈通常不能均勻持續(xù)運(yùn)動(dòng),原因在于線圈和磁鐵的摩擦力較大不容易克服,若增加電池?cái)?shù)量或更換更強(qiáng)磁鐵又容易使得線圈受力過(guò)大造成線圈脫離磁鐵,不能良好接觸,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象亦不明顯．

圖2 3種類型簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)示意圖

2 創(chuàng)新簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

2.1 設(shè)計(jì)原理

為解決上述簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)在物理教學(xué)應(yīng)用中的不足,筆者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的嘗試與實(shí)踐,設(shè)計(jì)出了一種新型的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)．該簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)模型主要由單匝鋁框、電池、釹鐵硼磁鐵構(gòu)成,鋁框頂部彎折處制成尖端放置于電池正極上,鋁框底部制成與鋁框所在平面垂直的圓環(huán),圓環(huán)的直徑略大于柱形磁鐵的直徑,兩節(jié)電池之間和電池正極處加有環(huán)形磁鐵作限位、連接導(dǎo)電之用,如圖3所示．該簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)靜止時(shí),形成以尖端為支點(diǎn)的靜止的“單擺”,若要使其工作,則只需輕輕向鋁線框底部的圓環(huán)吹氣或用手輕推圓環(huán),運(yùn)動(dòng)過(guò)平衡位置的圓環(huán)內(nèi)側(cè)貼靠柱形磁鐵(釹鐵硼磁鐵為良性導(dǎo)體),電路接通,鋁線框受力如圖4所示(為簡(jiǎn)便,圖中未標(biāo)出另外兩個(gè)磁場(chǎng)一致的環(huán)形磁鐵,實(shí)際效果增強(qiáng)),鋁線框立即轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)．由于“單擺”回復(fù)力作用,圓環(huán)內(nèi)側(cè)往復(fù)貼靠柱形磁鐵,鋁線框就持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)．

1 鋁環(huán) 2 鋁線框 3 環(huán)形磁鐵 4 支點(diǎn)尖端 5 電池 6 柱形磁鐵圖3 改進(jìn)的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)模型

圖4 通電瞬間線框受力圖

2.2 材料與制作

制作該新型簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)所需主要材料及其型號(hào)規(guī)格參數(shù)如表1所示．

表1 所需材料及其參數(shù)

注: 表中φ表示直徑,l表示長(zhǎng)度,d表示厚度(高度);鋁線可用粗銅線代替．

制作安裝要點(diǎn)如下.

(1) 選取1根直徑2mm、長(zhǎng)約42cm的去皮鋁導(dǎo)線(可從常見家用鋁電線中獲得),先對(duì)折,再制作成圖3中所示線框形狀的鋁線框,并在頂端中點(diǎn)彎折處鉗制成尖端狀．要求尖端支點(diǎn)兩邊的線框長(zhǎng)度大致相等,鋁線框底部的圓形線圈直徑大約2.5cm,使之略大于柱形磁鐵的直徑1.6cm．

(2) 選取兩節(jié)5號(hào)“南孚”牌電池,并用內(nèi)徑約5mm的環(huán)形釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵將兩節(jié)電池串聯(lián)吸附固定形成電池組,在電池組的正極處再置入一枚內(nèi)徑約5mm的環(huán)形釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵,為限制鋁線框尖端在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不滑落;在電池組的負(fù)極放置柱形釹鐵硼磁鐵．注意根據(jù)磁極“同極相斥、異極相吸”的原理,調(diào)整并使得電動(dòng)機(jī)構(gòu)造中3處磁鐵的磁場(chǎng)方向一致,因?yàn)橐恢碌拇艌?chǎng)對(duì)通電鋁線框的作用力才能一致．

(3) 將鋁線框底部圓環(huán)部分緩慢套入電池組,并使其頂部尖端置于電池組正極環(huán)形磁鐵內(nèi)孔之中,新的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)就安裝完成了,如圖5(a)示．“萬(wàn)事俱備只欠東風(fēng)”,這時(shí)只需要輕輕吹動(dòng)線框底部鋁環(huán),或用手輕推線框使鋁環(huán)靠在柱形磁鐵上就立即轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),如圖5(b)示．

圖5 改進(jìn)簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的安裝與調(diào)試

2.3 創(chuàng)新改進(jìn)后的主要優(yōu)點(diǎn)

本文改進(jìn)的新型簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)在實(shí)際教學(xué)運(yùn)用中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象突出,教學(xué)效果明顯,除此之外,還具有以下優(yōu)點(diǎn).

(1) 該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中摩擦較小,轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較快,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,尤其是避免了已有類似簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)中用粗金屬絲做成的非閉合半圓形電刷,直接與柱形磁鐵接觸時(shí)摩擦較大、短路且轉(zhuǎn)動(dòng)不流暢的現(xiàn)象．

(2) 裝置的整體結(jié)構(gòu)性極強(qiáng),采用兩節(jié)電池豎直串聯(lián)方式,由于電池正極磁鐵限位孔和負(fù)極套環(huán)共同作用,線框轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)更不易脫落．且對(duì)制作精度要求不高,即使制作的鋁線框及圓環(huán)在頂部支點(diǎn)兩側(cè)分布不均勻,該簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)仍然能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)．更重要的是,制作時(shí)可以將線框尺寸再按比例放大數(shù)倍,做成大尺寸大直徑的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),便于學(xué)生觀察和分析,實(shí)驗(yàn)演示效果更“震撼”、更明顯,完全靈活滿足物理教學(xué)所需,這是已有類似簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)不能滿足的．

(3) 方便快捷,安全高效．創(chuàng)新改進(jìn)后簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),克服已有類似電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前常處于短路狀態(tài)的現(xiàn)象,減少電池電能消耗,具有較高的安全性．同時(shí)采用多節(jié)電池連接,較之以往類似簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī),運(yùn)轉(zhuǎn)表現(xiàn)得更為持久有力．可根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)增加電池?cái)?shù)量,只需增加相應(yīng)連接磁鐵即可,無(wú)需連接導(dǎo)線,組裝與拆卸一氣呵成,可在數(shù)秒內(nèi)完成,方便快捷．

此外,取材簡(jiǎn)便,成本低廉,也是本實(shí)驗(yàn)裝置的另一特點(diǎn)．學(xué)生可親自制作,該實(shí)驗(yàn)可作為學(xué)生課內(nèi)外科學(xué)制作活動(dòng)內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力．源于生活,高于生活,回歸于生活,是提升中學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要實(shí)踐路徑,讓學(xué)生充分體驗(yàn)生活中“低成本”物理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的“大智慧”．

1 課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.物理(9年級(jí)全一冊(cè))[M].北京:人民教育出版社,2013.

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3 陳鐵松. 簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的制作[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2001(06)：28.

4 劉劍鋒,董艷輝. 最簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)賞析[J]. 物理教師,2010(01)：25-26.

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2016-12-08)