手搖發(fā)電機(jī)工作機(jī)制及DIS輔助實(shí)驗(yàn)探討

鄭恬恬 張軼炳

摘 要：手搖發(fā)電機(jī)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能產(chǎn)生直流電也能產(chǎn)生交流電.通過剖析發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，挖掘產(chǎn)生兩種電流的物理原理及集流環(huán)一環(huán)兩用的構(gòu)造原理;利用電流傳感器及其數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)，直觀展示直流電和交流電的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.這種既注重儀器設(shè)備物理原理及構(gòu)造原理，又利用現(xiàn)代化設(shè)備改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法，對廣大教師和學(xué)生的深度學(xué)習(xí)大有裨益.

關(guān)鍵詞：手搖發(fā)電機(jī);直流;交流;DIS;輔助實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）21-0051-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金“西北民族地區(qū)科學(xué)探究教育績效評價(jià)及影響因素研究”（項(xiàng)目編號(hào)：71663042）.

作者簡介：鄭恬恬（1998-），女，福建人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

通訊作者：張軼炳（1964-），女，寧夏銀川人，碩士，教授，研究方向：物理教育.

普通高中教科書《物理》（選擇性必修2）第三章“交變電流”中的“觀察交變電流的方向”實(shí)驗(yàn)[1]，將兩個(gè)反向并聯(lián)的發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管與手搖發(fā)電機(jī)的兩端相連，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，觀察兩個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光情況來判斷交變電流方向的變化情況.但該手搖發(fā)電機(jī)存在以下兩點(diǎn)不足：（1）可視性差，兩種顏色的發(fā)光二極管交替發(fā)光的時(shí)間差非常小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能夠清晰展現(xiàn)，再加上無法判斷電流大小的變化，影響了學(xué)生對交變電流規(guī)律的認(rèn)識(shí);（2）功能不足，只能產(chǎn)生交流電，無法產(chǎn)生直流電，學(xué)生無法進(jìn)行交流電和直流電的對比分析學(xué)習(xí).新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)在手搖交直流發(fā)電機(jī)的輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，利用多量程電流傳感器和計(jì)算機(jī)軟件的結(jié)合[2]，直觀顯示出交流電和直流電的圖像，加深了學(xué)生對交變電流和直流電的感性認(rèn)識(shí).通過分析集流環(huán)的構(gòu)造，將實(shí)物模型抽象概括為物理模型，建構(gòu)集流環(huán)的立體模型圖，運(yùn)用分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等科學(xué)思維方法，對交直流發(fā)電機(jī)既能輸出交流電，又能輸出直流電的工作機(jī)制進(jìn)行定性分析，深化學(xué)生對交直流發(fā)電機(jī)功能的認(rèn)識(shí).

1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器組成

實(shí)驗(yàn)使用到的儀器有手搖交直流發(fā)電機(jī)、導(dǎo)線、LW-E803型多量程電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、USB數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)等.手搖交直流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造及各部分名稱如圖1所示，我們可將手搖交直流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造分為三部分：手輪、皮帶和電樞構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng);磁塊、極靴、電刷和集流環(huán)構(gòu)成感應(yīng)系統(tǒng);多量程電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)構(gòu)成檢驗(yàn)系統(tǒng).

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)造原理

1.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力部分，用手搖的方式轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，通過皮帶傳動(dòng)使電樞在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)起來，其中手搖輪是源動(dòng)力，皮帶起到傳動(dòng)的作用.

1.2.2 感應(yīng)系統(tǒng)

在動(dòng)力系統(tǒng)的作用下，電樞在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，并在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過電刷集中到集流環(huán)上.另外，電刷前端有一弧形，加大了它與集流環(huán)的接觸面積，減少電火花的產(chǎn)生.

1.2.3 檢驗(yàn)系統(tǒng)

感應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電流傳送到檢驗(yàn)系統(tǒng)，在檢驗(yàn)系統(tǒng)中，LW-E803型多量程電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器通過USB與計(jì)算機(jī)連接，通過觀察圖像檢測回路中產(chǎn)生電流的特性.

2 實(shí)驗(yàn)原理分析

手搖交直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流和直流電能的裝置，其原理與導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的原理相同，都是電磁感應(yīng).線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，線圈就相當(dāng)于閉合回路中的電源，其中的非靜電力是洛倫茲力.

圖2是實(shí)驗(yàn)的原理圖，圖中有一對固定的永久磁鐵N極和S極，在N極和S極之間轉(zhuǎn)動(dòng)著一個(gè)線圈abcd，是一個(gè)面積為S，匝數(shù)為N的線圈，它在均勻磁場B中以勻角速度ω繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，若t=0時(shí)，線圈平面的法線n平行于B，則在任意t時(shí)刻，線圈處在如圖2（b）的位置，n與B間的夾角為θ=ωt，此時(shí)，通過線圈的磁通量為

Ψ=NΦ=NBScosθ=NBScosωt（1）

所以由法拉第電磁感應(yīng)定律，可得線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢為

e=-dΨdt=NBSωsinωt=Emsinωt（2）

其中，Em為感應(yīng)電動(dòng)勢的最大值，這是一個(gè)大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的電動(dòng)勢.

交直流發(fā)電機(jī)中的集流環(huán)上有條凹槽，它把集流環(huán)分成了互相絕緣的兩部分，如圖3（b）和（c）所示，右半部分2與藍(lán)導(dǎo)線相連，左半部分1與紅導(dǎo)線相連.可以直觀地看到1和2一半是完整的圓環(huán)，一半是半環(huán)，這正是交直流發(fā)電機(jī)既能輸出交流電又能輸出直流電的原因.

2.1 產(chǎn)生交流電

將兩電刷夾在集流環(huán)兩端，如圖3所示，在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中電刷與集流環(huán)相互接觸的部位始終沒有變，不改變電流的方向，回路中電流的方向與電動(dòng)勢的方向相同.

設(shè)閉合回路的總電阻為 R 時(shí)，通過閉合回路中的感應(yīng)電流為

I=eR=1RNBSωsinωt=Imsinωt（3）

其中， Im 為感應(yīng)電流的最大值.此時(shí)回路中電流的大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，是交流電.

2.2 產(chǎn)生直流電

將兩電刷夾在集流環(huán)中央，即兩電刷平行放置，如圖4所示，在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中原本與集流環(huán)左半部分1接觸的上夾片A，與右半部分2接觸的下夾片B，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過中性面，即遇凹槽后上夾片A與右半部分2接觸，下夾片B與左半部分1接觸;再次轉(zhuǎn)過中性面時(shí)，即再遇凹槽后上夾片A又變成與左半部分1接觸，下夾片B也變成與右半部分2接觸，說明線圈每轉(zhuǎn)過一次中性面，即每遇凹槽一次，兩個(gè)半環(huán)交替地與兩個(gè)電刷接觸，電流方向就發(fā)生改變了，因此在電刷A與B間輸出的是方向不變的直流電.

此時(shí)通過閉合回路中的感應(yīng)電流變?yōu)?/p>

I=eR=1RNBSωsinωt=Imsinωt（4）

此時(shí)回路中電流的方向不隨時(shí)間發(fā)生變化，是直流電.

3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)時(shí)先連接檢驗(yàn)部分的電路，并檢查電路是否連接完好;連接電刷和集流環(huán)，使其接觸良好;勻速搖動(dòng)手輪，即可輸出電流，搖動(dòng)速度不要太快，以免輸出電壓過高;改變上下電刷與集流環(huán)的接觸位置，再勻速搖動(dòng)手輪，觀察現(xiàn)象.

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖如圖5所示，將多量程電流傳感器接入檢驗(yàn)電路，用來測量電路的電流值，打開數(shù)字化通用軟件的數(shù)字顯示窗口，進(jìn)行校零后，打開指針顯示窗口觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況，最后在曲線窗口繪制回路中電流的波形圖.

將電刷夾在集流環(huán)兩端，勻速搖動(dòng)手輪可以看到指針顯示窗口指針會(huì)始終先由零逆時(shí)針逐漸增加到一定值，之后減小為零，再由零順時(shí)針逐漸增加到一定值，之后減小為零，即指針始終會(huì)在零刻度線附近擺動(dòng)，如圖6所示.圖7是此時(shí)電流隨時(shí)間變化的圖像，可以直觀地看出此時(shí)回路中電流近似是大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的交變電流.

將電刷夾在集流環(huán)中間，順時(shí)針勻速搖動(dòng)手輪可以看到指針始終由零順時(shí)針逐漸增加到一定值，之后減小為零，如圖8所示.圖9是此時(shí)電流隨時(shí)間變化的圖像，可以直觀地看出此時(shí)回路中電流近似是方向不隨時(shí)間變化的脈動(dòng)直流電;反向逆時(shí)針勻速搖動(dòng)大輪可以看到指針始終由零順時(shí)針逐漸增加到一定值，之后減小為零，如圖10所示.圖11是此時(shí)電流隨時(shí)間變化的圖像，對比圖9可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)電流反向變化，但仍然是直流電.

5 結(jié)束語

手搖交直流發(fā)電機(jī)功能較為齊全，電流波動(dòng)性較好，操作簡單易懂.實(shí)驗(yàn)中借助集流環(huán)的立體模型圖剖析推理出此發(fā)電機(jī)既能產(chǎn)生交流電又能產(chǎn)生直流電的原因，配合DIS數(shù)字化系統(tǒng)可以直觀地得出電刷夾在集流環(huán)不同位置時(shí)電流隨時(shí)間的變化規(guī)律，既體現(xiàn)科技的力量又增強(qiáng)了趣味性，使復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作變得輕松，有跡可循，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加豐富、全面和直觀，學(xué)生可以親歷探究交流電和直流電的過程，逐漸構(gòu)建起交變電流和直流電的物理概念.但本實(shí)驗(yàn)仍無法實(shí)現(xiàn)線圈的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，也無法產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場.如果條件允許，可以將手搖大輪替換成電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，將鐵氧體材料替換成兩個(gè)平行的電磁鐵產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場[2].

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理（選擇性必修2）[M].北京： 人民教育出版社，2020.

[2]廖永容，楊曉梅.手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 物理教師，2019，40（01）： 60-61+64.

（收稿日期：2021-07-29）