簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制作

陳文同 孫豐富

摘 要： 簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)制作是 “電磁現(xiàn)象”的一個(gè)重要應(yīng)用，對(duì)學(xué)生掌握電動(dòng)機(jī)基本構(gòu)造和工作原理起到抽絲剝繭、層層推進(jìn)的作用.圍繞簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、制作方法和對(duì)比理解，以及制作過程中出現(xiàn)的各種問題分析和處理技巧，使學(xué)生在有法可依的條件下成功完成制作，從而感受物理的科學(xué)之美.

關(guān)鍵詞： 設(shè)計(jì)原理;對(duì)比理解;問題分析;處理技巧

魯科版《物理》九年級(jí)下冊(cè)“電磁現(xiàn)象”中學(xué)習(xí)電動(dòng)機(jī)，在課堂演示直流電動(dòng)機(jī)教學(xué)中，學(xué)生能較為直觀的認(rèn)識(shí)其主要結(jié)構(gòu)和各個(gè)部分的作用，但對(duì)于初學(xué)的初中生來說真正掌握其工作原理較為困難，特別是關(guān)于“換向器”“平衡位置”“電刷”等附加結(jié)構(gòu)概念理解存在思維障礙（無換向器）情況，再結(jié)合模型和掛圖模擬演示，并配合課件講解換向器作用和直流電動(dòng)機(jī)原理[1].教材“做中學(xué)”環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)有“讓線圈轉(zhuǎn)起來”的動(dòng)手制作，但描述較為簡(jiǎn)潔，致使學(xué)生制作成功率較低.筆者在指導(dǎo)近幾屆學(xué)生制作過程中概括出常出現(xiàn)的問題和解決方法，總結(jié)一個(gè)便于學(xué)生動(dòng)手操作的制作方案，方案圍繞簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)的制作方法（工作原理）、制作器材和制作過程展開，對(duì)比實(shí)驗(yàn)室演示直流電動(dòng)機(jī)，理解主要部件及其作用，解決上述問題.

1 演示直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，如圖1所示，當(dāng)瞬間通斷電路時(shí)導(dǎo)體ab會(huì)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其力的大小由電流大小和磁場(chǎng)強(qiáng)弱決定.如圖2所示把直導(dǎo)線換為通電線圈放入磁場(chǎng)中，根據(jù)左手定則可知線圈的ab、cd部分因會(huì)受到大小相等但是方向相反的兩個(gè)力而轉(zhuǎn)動(dòng)起來.當(dāng)轉(zhuǎn)至平衡位置如圖3所示ab、cd所受的力正好在一個(gè)平面，此時(shí)的力矩為零，由于慣性線圈會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)過平衡位置，但此后力的方向和運(yùn)動(dòng)方向相反，導(dǎo)致線圈在該位置往返晃

動(dòng)，不能持續(xù)轉(zhuǎn)下去，最終會(huì)停留在平衡位置[2].為使線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須改變ab、cd受力的方向，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)：第一種方法是在平衡位置改變線圈中電流的方向;第二種方法是在平衡位置改變磁場(chǎng)的方向，且兩者只能選其一.在實(shí)驗(yàn)室演示用直流電動(dòng)機(jī)采用的方法1來改變線圈受力方向，如圖4所示裝置實(shí)現(xiàn)，該裝置稱為“換向器”， 由兩個(gè)銅制半環(huán)組成，其作用是換向器同通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)，且與連接電源兩極的電刷相接觸（如圖5所示），當(dāng)線圈利用慣性轉(zhuǎn)過平衡位置時(shí)，兩個(gè)半環(huán)實(shí)現(xiàn)位置完全互換達(dá)到線圈中電流方向改變的目的，致使線圈受力的方向發(fā)生改變，從而保持原來的轉(zhuǎn)動(dòng)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)此過程解決了線圈在平衡位置受力平衡靜止不轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，實(shí)現(xiàn)了線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng).

2 簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)制作

2.1 材料與工具

漆包線1.5m（可去電機(jī)維修店咨詢），小刀1把，硬金屬絲（銅絲為佳）約0.5m，泡沫板一塊，一號(hào)干電池2節(jié)（帶電池盒），導(dǎo)線若干，磁鐵一塊，單擲開關(guān)一個(gè).

2.2 制作方法

（1）把漆包線繞制成約為3cm×2cm的矩形線圈，漆包線在線圈兩端伸出約3cm的引線（如圖6所示），然后用小刀刮兩端引線，一端漆全部刮掉，另一端漆只刮掉一半（如圖7所示）.

（2）用硬金屬絲做兩個(gè)支架，固定在泡沫板上，兩支架分別用導(dǎo)線與電源的兩極相連.

（3）把線圈放在支架上（如圖8所示），磁鐵放在線圈下，閉合開關(guān)觀察線圈運(yùn)動(dòng)情況，用手輕撥動(dòng)一下線圈，線圈就會(huì)不停的轉(zhuǎn)動(dòng)起來（如圖9所示）.

2.3 制作簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)常出現(xiàn)的問題和解決技巧

常出現(xiàn)的問題有：一是線圈不轉(zhuǎn)動(dòng)，二是線圈有跳動(dòng)現(xiàn)象或是很快停止轉(zhuǎn)動(dòng).

造成線圈不轉(zhuǎn)的原因通常有以下幾個(gè)方面：（1）電路因引線端漆刮不干凈出現(xiàn)接觸不良，可在電路中串入一個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行反接.（2）漆包線直徑大且匝數(shù)多，造成引線與金屬絲支架摩擦大，一般情況下線圈做成3cm×2cm的矩形或是橢圓形即可，匝數(shù)視漆包線直徑大小自行調(diào)節(jié)，一般不超過5匝.（3）漆包線引線部分漆刮去的比例大，造成電路幾乎一直處于通路狀態(tài)，通常情況下引線一端全刮，另一端刮去一半，且注意盡量做到刮漆交界面與線圈所在平面垂直.

線圈出現(xiàn)跳動(dòng)或是很快停止轉(zhuǎn)動(dòng)原因：很多同學(xué)興致勃勃的做好線圈后便急著放入支架中，結(jié)果看到線圈晃動(dòng)幾下就停止或較長(zhǎng)時(shí)間的處于晃動(dòng)狀態(tài)，其實(shí)這部分同學(xué)處在成功的邊緣，他們忽略了線圈通電前的平衡性檢測(cè)，即線圈在不通電的情況下可以自由地在水平方向靜止平衡而非是豎直方向.制作時(shí)兩根引線與線圈要在水平桌面上且使兩根引線在同一直線上，同時(shí)使引線基本通過線圈中心，使線圈在以引線為轉(zhuǎn)軸時(shí)能夠保證平衡轉(zhuǎn)動(dòng)[3].

3 與實(shí)驗(yàn)室用“演示直流電動(dòng)機(jī)”對(duì)比

實(shí)驗(yàn)室演示直流電動(dòng)機(jī)工作原理在前面已做介紹，其主要構(gòu)造如圖10所示，在簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)中的引線漆是絕緣體，刮去以后，線圈中就會(huì)有電流，只有當(dāng)線圈中有電流時(shí)，線圈才會(huì)受力發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，所以刮漆的目的是使線圈能夠?qū)щ?采用引線另一端刮半周漆，從而實(shí)現(xiàn)電路處于斷路狀態(tài)和通路狀態(tài)的交互，使線圈依靠自身慣性轉(zhuǎn)過平衡位置，線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)為加速和減速交替.因此，與實(shí)驗(yàn)室用“演示直流電動(dòng)機(jī)”相比較，刮漆和使用換向器的作用是等效的，都是為了使線圈能夠持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)下去，所以這刮半周漆就相當(dāng)于換向器，兩個(gè)支架（如圖11所示）的作用則相當(dāng)于“演示直流電動(dòng)機(jī)”的電刷（圖12所示）.

相比之下，該簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)方法上更為簡(jiǎn)單，省去換向器、電刷的要求，學(xué)生采用身邊易得的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行制作要求較低，但思路很清晰，從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)工作原理的掌握.通過制作簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)，使換向器等抽象概念的理解不再局限于文字的表述，而是學(xué)生真真切切觀察和體會(huì)，當(dāng)學(xué)生親手制作的線圈轉(zhuǎn)到起來時(shí)，他們收獲的不僅僅是直接體驗(yàn)到成功的喜悅，更是對(duì)于動(dòng)手能力的培養(yǎng)和自信心的提升.

初中階段的物理教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)習(xí)物理的興趣、掌握一定的物理方法、具備初步的物理思想和實(shí)驗(yàn)技能為主要目標(biāo)[4].一個(gè)能利用所學(xué)物理知識(shí)自制簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)的同學(xué)，自然他對(duì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理掌握在心，更重要的是培養(yǎng)了一種從學(xué)習(xí)掌握科技知識(shí)到轉(zhuǎn)化應(yīng)用的意識(shí)，這樣一個(gè)在 “體驗(yàn)中感悟、感悟中生成”的過程，正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基本要求.

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝桂英.磁懸浮直流電動(dòng)機(jī)和換向器原理直觀演示儀[J].中學(xué)物理，2014，32（16）：33.

[2] 何慧穎，劉大誠，孫博.義務(wù)教育教科書（五.四學(xué)制）九年級(jí)下物理[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[3] 陳士元.直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制作[J]. 物理之友，2016，32（7）：29-31.

[4] 鄧穎.巧用“實(shí)現(xiàn)指標(biāo)”構(gòu)建高效課堂[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016，45（10）：67-69.