自制“百變電機(jī)”

(江蘇省南京市板橋中學(xué),江蘇 南京 210039)

“百變電機(jī)”取材簡(jiǎn)單,制作容易,可以用來(lái)演示初中物理課本上的多個(gè)實(shí)驗(yàn),也可以讓學(xué)生進(jìn)行自主探究,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)他們的核心素養(yǎng)。

1 電機(jī)實(shí)驗(yàn)的重要性

在蘇科版初中物理9年級(jí)下冊(cè)第16章中三處出現(xiàn)了簡(jiǎn)單電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)模型。第一處是第45頁(yè)“活動(dòng)16.8 觀察磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用”，用漆包線繞成線圈,將引出導(dǎo)線兩端的漆全部刮去后放入磁場(chǎng),閉合開關(guān),觀察線圈將怎樣運(yùn)動(dòng)(如圖1)。第二處是第48頁(yè)WWW中第4題，按圖2所示方法把線圈兩端引線上的漆刮去,通電后線圈將怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)？怎樣讓電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)？第三處是第55頁(yè)WWW中第3題，將發(fā)電機(jī)與小量程電流表相連,使小風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng),觀察小量程電流表的指針是否偏轉(zhuǎn)(如圖3)。在一章中3處出現(xiàn)線圈與磁鐵組成的實(shí)驗(yàn)裝置,可見其在教學(xué)中的重要性。

圖1

2 教材中實(shí)驗(yàn)存在的缺陷

多年來(lái),學(xué)校實(shí)驗(yàn)室一直沒(méi)有這部分內(nèi)容的現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)器材,給教學(xué)帶來(lái)不便。教材上制作電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)模型的方法是用漆包線繞在火柴盒上4-6圈,從兩端引出的漆包線直接作為轉(zhuǎn)軸,由于線圈有一定的質(zhì)量,轉(zhuǎn)軸又細(xì),線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)非常不穩(wěn)定,同時(shí)刮漆操作難度較大,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,常常會(huì)因失敗而告終,有時(shí)即使制作成功,演示效果也不明顯。

3 自制“百變電機(jī)”

如圖4所示，用廢舊電話線繞在磁鐵上制成線圈,把線圈兩端引出的線頭焊接在兩根粗銅線上作為轉(zhuǎn)軸,把兩銅線軸插入中空的塑料管內(nèi),使兩軸在同一直線上,以保證轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，空心塑料管中間用木牙簽隔開,讓左右兩軸彼此絕緣。轉(zhuǎn)軸一端是全銅軸,另一端用塑料管套在A、B兩個(gè)位置,把轉(zhuǎn)軸分成兩部分,在A、B之間用銼把銅軸磨掉一半,再用502膠將半圓柱木牙簽粘在半銅軸上,形成半周導(dǎo)電、半周絕緣的軸,B、C之間為全銅軸。將線圈放在帶有絕緣膠皮的銅支架上,在木板底座上放上強(qiáng)磁鐵，就制成了該裝置。此實(shí)驗(yàn)裝置可以演示教材上所有與電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)相關(guān)的實(shí)驗(yàn),故稱之為“百變電機(jī)”。

該實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新之處有以下4點(diǎn)。

(1) 如圖4所示,在A、B間用銼把銅鈾磨掉一半,另一半用木頭牙簽粘貼上,使其半周導(dǎo)電、半周絕緣,白色木牙簽和銅柱體顏色區(qū)別明顯,便于觀察。

(2) 在圖4中,B、C間是全銅軸、全周導(dǎo)電，A、B間為半周絕緣、半周導(dǎo)電，這樣的設(shè)計(jì)便于控制線圈擺動(dòng)或連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3) 此裝置中將線圈兩邊的銅線軸分別插入空心圓珠筆塑料管內(nèi),中間用木頭牙簽隔離,使兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸在同一直線上,可保證轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)。

(4) 蹄形磁鐵由于兩磁極內(nèi)的空間位置小,很難改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱。而用方形磁鐵，便于改變其與線圈間的距離,從而改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。

4 “百變電機(jī)”的使用

4.1 觀察線圈來(lái)回?cái)[動(dòng)現(xiàn)象

如圖4所示,將轉(zhuǎn)軸BC段接入電路,相當(dāng)于圖1中將引線兩端的漆全部刮去,可觀察到線圈來(lái)回?cái)[動(dòng)。而學(xué)生總認(rèn)為把漆全部刮去后,線圈一直通電,一直受力,線圈會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但事實(shí)并非如此。這種認(rèn)知上的沖突需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā),學(xué)生獲得了真實(shí)體驗(yàn),有了證據(jù),才會(huì)心服口服。

4.2 觀察線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象

如圖4所示,將轉(zhuǎn)軸AB段接入電路,相當(dāng)于圖2中將引線兩端的漆刮去一半，閉合開關(guān)后,將觀察到線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。

AB段中半周為導(dǎo)體(銅)、半周為絕緣體(木牙簽)。將AB段接入電路時(shí),線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中只有半圈通電,獲得動(dòng)力,在剛轉(zhuǎn)過(guò)平衡位置后,線圈不再通電,線圈由于慣性就會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去。

4.3 演示直流發(fā)電機(jī)

如圖5所示，將電源換成靈敏電流計(jì),將A、B兩位置之間的軸接入電路,用手(或電吹風(fēng))轉(zhuǎn)(吹)動(dòng)線圈,會(huì)發(fā)現(xiàn)靈敏電流表指針向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn),且線圈轉(zhuǎn)得越快,指針偏轉(zhuǎn)的角度越大。

圖5

4.4 演示交流發(fā)電機(jī)

將電源換成靈敏電流計(jì),將B、C兩位置之間的軸接入電路,用手轉(zhuǎn)或電吹風(fēng)吹動(dòng)線圈,會(huì)發(fā)現(xiàn)靈敏電流指針向左、右兩個(gè)相反方向來(lái)回偏轉(zhuǎn)。

4.5 探究感應(yīng)電流方向與線圈轉(zhuǎn)動(dòng)方向的關(guān)系

保持磁場(chǎng)方向不變,改變線圈轉(zhuǎn)動(dòng)方向,靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向會(huì)發(fā)生改變。

4.6 探究感應(yīng)電流方向與磁場(chǎng)方向的關(guān)系

保持線圈轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變,對(duì)調(diào)磁極,靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向會(huì)改變。

4.7 探究感應(yīng)電流大小與線圈轉(zhuǎn)動(dòng)快慢的關(guān)系

保持磁場(chǎng)強(qiáng)弱不變,線圈轉(zhuǎn)動(dòng)越快,靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)幅度越大;反之,線圈轉(zhuǎn)動(dòng)越慢,則靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)幅度越小。

5 結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)裝置操作方便,現(xiàn)象明顯,體現(xiàn)了電和磁的統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)演示有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,滿足學(xué)生好奇心,使學(xué)生的核心素養(yǎng)得到提升。