手搖發(fā)電機實驗的改進

廖永容 楊曉梅

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

交變電流是高中物理電磁學部分的重點也是學生容易混淆的難點,新課標要求高中學生能夠通過實驗認識交變電流,并能用公式和圖像描述正弦交變電流．因此通過實驗觀察交變電流的圖像和交變電流大小、方向的變化得出交變電流的變化規(guī)律就成為了學習交變電流的必要手段,而人教版高中物理選修3-2第五章第一節(jié)用手搖發(fā)電機探究交變電流的變化規(guī)律,實驗儀器本身存在一些問題且實驗現(xiàn)象也明顯存在不足．新設計的實驗與手搖發(fā)電機實驗相比有三個優(yōu)點:一是法拉第電磁感應演示儀利用電動機帶動線圈轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)勻速,能通過改變輸入端的電壓值調(diào)控線圈轉(zhuǎn)動的角速度,兩個平行的電磁鐵代替永磁體產(chǎn)生勻強磁場;二是在電磁感應電動勢的輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦),可以利用數(shù)字化通用軟件的數(shù)字、指針和組合圖形等顯示窗口實現(xiàn)對交變電流的可視化教學;三是利用自制LED燈板模擬電磁鐵產(chǎn)生的磁感線,由此觀察線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動時磁通量的變化,從而判斷線圈產(chǎn)生的感應電動勢大小的變化,結(jié)合右手定則即可判斷線圈中感應電動勢的方向．

1 原實驗的不足

(1) 在外電路中接入反向并聯(lián)的LED燈雖能判斷通過手搖發(fā)電機產(chǎn)生的電流的方向發(fā)生周期性的變化,卻無法判斷電流大小的變化,更無法觀察其圖像．

(2) 根據(jù)人教版高中物理選修3-1第3章“磁場”中“幾種常見的磁場”介紹的兩個平行的異名磁極間產(chǎn)生勻強磁場,很明顯原裝置采用的兩蹄形磁鐵并不平行,只是教學時一般將其產(chǎn)生的磁場默認為勻強磁場處理,且學生學習時只能抽象的判斷磁場的方向．

(3) 人手搖動發(fā)電機無法實現(xiàn)讓線圈以恒定的角速度轉(zhuǎn)動．

2 發(fā)電機實驗的改進

2.1 實驗原理

圖1 線圈逆時針旋轉(zhuǎn)平面圖

2.2 改進后的實驗

(1) 實驗裝置采用法拉第電磁感應演示儀如圖3所示,該裝置采用直流電動機帶動轉(zhuǎn)子實現(xiàn)線圈的近似勻速轉(zhuǎn)動,只需調(diào)節(jié)輸入直流電動機電壓即可控制線圈在磁場中勻速轉(zhuǎn)動的角速度．此外,在電磁鐵輸入端輸入同向電流后兩塊相同的平行電磁鐵之間會形成如圖4所示的磁場,由于線圈的長邊小于電磁鐵的直徑,能保證線圈處于勻強磁場中,還能通過改變電源電壓的輸入值來改變兩電磁鐵間的磁場強度．

圖3 法拉第電磁感應演示儀

圖4 兩平行電磁鐵間的磁場分布平面圖

(2) 改進后的實驗電路設計如圖5所示,將兩個學生電源分別與演示儀的兩個輸入端連接,在輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦)．

圖5 改進后實驗的實物圖

(3) 在電磁感應電動勢的輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦)代替原實驗中的二極管,應用數(shù)字化通用軟件的數(shù)字、指針和組合圖形等顯示窗口分別顯示線圈轉(zhuǎn)動發(fā)電過程中輸出端的電壓數(shù)值的變化、指針的偏轉(zhuǎn)情況和電壓波形圖．按照圖6的方式連接電路閉合開關后,只需要打開電腦上的數(shù)字化通用軟件記錄數(shù)據(jù),根據(jù)需要切換到不同的窗口即可．如圖6-8各個窗口顯示的數(shù)據(jù)變化情況．

圖6 數(shù)字顯示窗口電壓數(shù)值變化

圖7 指針顯示窗口指針偏轉(zhuǎn)情況

圖8 組合圖形窗口電壓波形圖

由圖6、7知,數(shù)字窗口顯示的電壓數(shù)值從0開始在區(qū)間(-3 V,3 V)內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化,指針窗口顯示指針在零刻線處左右擺動,這兩個現(xiàn)象說明感應電動勢的大小和方向呈現(xiàn)周期性變化,這與用右手定則分析出線圈中的感應電動勢的大小和方向呈周期性變化一致,說明實驗現(xiàn)象與理論分析一致．圖8是組合圖形窗口顯示的電壓波形圖,為了方便選取其中一段進行觀察,發(fā)現(xiàn)電壓的波形幾乎為正弦曲線,這與理論計算得出的電壓u=Umsinωt的圖像一致．

圖9 LED燈板的安裝

(4) 將自制的LED燈板(在直徑為14cm的圓形白色紙板上等間隔串并聯(lián)LED燈,該紙板的直徑略大于電磁鐵的直徑)固定在右邊的電磁鐵上并接通電源模擬勻強磁場的磁感線．在透明線圈盒上兩面分別貼兩張白色紙片(7cm×8cm)使之剛好能完全將線圈蓋住,以便觀察光斑,當線圈勻速轉(zhuǎn)動時,用打在白紙片上的紅色光斑數(shù)目的變化表示通過閉合線圈的磁通量的變化,如圖10所示,根據(jù)右手定則即可判斷出線圈上感應電動勢的方向．

圖10 穿過線圈的磁通量

2.3 改進后實驗的優(yōu)點

(1) 新課標明確提出學校應該充分的利用已有的實驗器材,努力開發(fā)適合本校情況的實驗課程資源．該實驗在高中課本上設計的實驗基礎上進行改進,應用實驗室已有的器材代替課本上的器材,不僅成功的產(chǎn)生了勻強磁場,而且實現(xiàn)了線圈的準勻速轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)速的可控性,源于課本而高于課本,對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實際動手能力有一定的幫助．

(2) 本實驗應用了DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦)多功能窗口,不僅使用電壓傳感器代替課本上使用的燈泡、二極管等讓學生對交流電產(chǎn)生感性認識,而且通過線圈轉(zhuǎn)動過程中電壓數(shù)值的變化、指針的偏轉(zhuǎn)和電壓波形圖等使交流電可視化,實驗效果更明顯直觀．

(3) 用自制的LED燈板模擬勻強磁場的磁感線,通過線圈勻速轉(zhuǎn)動時打在白色紙片上的紅色光斑的數(shù)目表示磁通量的變化,結(jié)合右手定即可判斷感應電動勢的方向,教學中讓學生動手制作LED燈板可以讓學生深刻理解串并聯(lián)的知識．