簡易電動機(jī)模型的設(shè)計與制作

(湖南省長沙市怡雅中學(xué),湖南 長沙 410118)

1 引言

在科技高速發(fā)展的時代背景下，如何改變當(dāng)前以課堂講授、課后做題為主的傳統(tǒng)物理教學(xué)模式，使其適應(yīng)時代發(fā)展，真正培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、動手實踐能力，需要我們一線教師主動作為，運用多種資源，如生活中容易取得的物品去探索物理原理，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

筆者根據(jù)人教版九年級物理教科書第二十章“電與磁”第四節(jié)有關(guān)電動機(jī)制作的說明和示意圖制作電動機(jī)模型時，因為結(jié)構(gòu)原因容易發(fā)生線圈跳出支架、磁場偏弱而不能持續(xù)轉(zhuǎn)動等性能不穩(wěn)定問題，教學(xué)演示效果不理想。而根據(jù)全國教學(xué)儀器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會2013年頒布JY/T-0022-2011標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的臥式和立式小型電動機(jī)實驗器，在實際教學(xué)演示使用過程中，均存在永磁鐵容易松動脫落、電刷容易發(fā)生形變而導(dǎo)致電樞線圈和整個電路斷路的問題，并且這兩種電動機(jī)功率較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2 簡易電動機(jī)模型的設(shè)計與制作

為解決上述問題，筆者在教學(xué)中不斷研究改進(jìn)，制作了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易制作的教學(xué)用簡易電動機(jī)模型，其特色為：采用兩節(jié)干電池即可驅(qū)動，制作材料方便易得，制作過程簡單，演示操作方便。

該模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中①為轉(zhuǎn)子，②為支架，③為永磁體，④為電池盒，⑤為開關(guān)，⑥為絕緣膠帶。

圖1

將直徑為1mm的漆包銅線繞約20圈，做成直徑為40mm的銅線圈，制作成轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的銅線圈兩端各留出30mm作為轉(zhuǎn)軸，將線圈左端漆包皮全部用砂紙打磨光，只保留金屬銅芯作為全圈全接觸式換向轉(zhuǎn)軸，線圈右端漆包線用砂紙打磨，除去下半部分漆包皮作為半圈半接觸式換向轉(zhuǎn)軸。選取兩根長約160mm、內(nèi)含直徑為2mm的硬質(zhì)銅芯、外徑為3mm的帶絕緣橡膠皮的電纜作為左右兩側(cè)支架，將兩側(cè)支架下端長約80mm的銅電纜絕緣皮用小刀剝除，做成與底座外徑曲度相同的弧形結(jié)構(gòu)，以便于固定，支架立柱部分高約60mm、保留絕緣皮與弧形結(jié)構(gòu)垂直，左右支架頂端將長約20mm的銅芯彎曲成非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)電刷，保留1.5mm缺口，該缺口的作用是方便換裝不同形狀的轉(zhuǎn)子。選取直徑75mm的圓形永磁體作為電動機(jī)定子，兼作底座用。在電池盒中裝兩節(jié)5號電池作為電源，從電池盒正負(fù)極引出兩根導(dǎo)線，分別與兩側(cè)支架立柱銅芯連接。開關(guān)可控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)和停，電工絕緣膠帶起固定支架和絕緣雙重作用。

制作該簡易電動機(jī)模型時，在準(zhǔn)備好以上6個元件后，先用電工絕緣膠帶環(huán)繞圓形永磁體底座外側(cè)包裹一圈，作絕緣底層用，并起增加摩擦力的作用，支架立柱部分高為60mm，將支架固定在永磁體底座上，然后再將兩個支架的下端弧形結(jié)構(gòu)部分緊靠永磁體底座外側(cè)已經(jīng)貼好的電工膠帶絕緣底層。注意左右兩側(cè)支架的弧形部分不能接觸，否則會發(fā)生短路。保持兩側(cè)支架的立柱底端位于圓形永磁體底座的直徑上，兩側(cè)支架的立柱底端連線要過圓形永磁體底座的圓心，并保留絕緣皮。電池盒裝上電池后，因電池外殼一般為鐵皮，可利用永磁體的磁場力作用將電池盒吸附在永磁體底座上。在安裝電池盒時，注意電池盒與兩側(cè)支架的連線垂直擺放。將從電池盒正、負(fù)極引出的兩根導(dǎo)線經(jīng)連接開關(guān)后，沿底座外側(cè)分別與兩側(cè)支架立柱銅芯連接，再用一層電工膠布將左右兩側(cè)支架的弧形部分和從電池盒正負(fù)極引出的兩根導(dǎo)線粘貼在圓形永磁體底座上。將從電池盒正、負(fù)極引出的導(dǎo)線的另一端用電烙鐵焊接在兩側(cè)支架立柱的銅芯上。在左右支架頂端將長約20mm的銅芯彎曲成非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)，用作為電機(jī)的電刷，非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)保留1.5mm缺口，該非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)也為創(chuàng)新設(shè)計，既可約束轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸在該非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，還可以方便換裝不同形狀的轉(zhuǎn)子，如：圓形線圈、正方形線圈、長方形線圈、心形線圈。

按上述要求制作和連接完畢后，閉合開關(guān)，只需稍稍撥動轉(zhuǎn)子，它就會在安培力作用下持續(xù)轉(zhuǎn)動，通過更換不同形狀的轉(zhuǎn)子，可向?qū)W生展示電動機(jī)工作原理。

3 本簡易電動機(jī)模型的創(chuàng)新之處

(1) 將兩側(cè)支架下端長約80mm的銅電纜絕緣皮用小刀剝除，做成與底座外徑曲度相同的弧形結(jié)構(gòu)，便于固定(如圖2)。

(2) 支架立柱部分保留了絕緣皮，并與弧形結(jié)構(gòu)垂直。左右支架頂端將長約20mm的銅芯彎曲成非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)，非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)的缺口設(shè)計作為電機(jī)的電刷，既可約束轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸在該非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，解決了電動機(jī)模型中因結(jié)構(gòu)原因容易發(fā)生線圈跳出支架的問題，也解決了教學(xué)用臥式和立式小型電動機(jī)實驗器在實際教學(xué)演示使用過程中，電刷容易發(fā)生形變而導(dǎo)致電樞線圈與整個電路斷路的問題。

(3) 非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)保留了1.5mm缺口，可以方便換裝不同形狀的轉(zhuǎn)子(如圖3)。

圖2

圖3

(4) 電工絕緣膠帶環(huán)繞粘貼在圓形永磁體底座外側(cè)并包裹一圈，作絕緣底層用，增加了摩擦力，磁體和支架的一體化設(shè)計解決了永磁鐵容易松動、脫落的問題。

4 結(jié)語

簡易電動機(jī)模型取材方便，成本低廉，學(xué)生可在課外制作，激發(fā)了他們物理學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的實踐動手能力，在實際教學(xué)中學(xué)生制作成功了簡易電動機(jī)模型后都非常興奮，很有成就感。