單極直流電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的開發(fā)與改進(jìn)

江蘇省奔牛高級(jí)中學(xué)(213131) 呂 琪 鄂道勝

物理學(xué)是一門基于實(shí)驗(yàn)、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，它對(duì)于科技的發(fā)展和革新有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是人類文化的重要組成，它的發(fā)展深刻地影響著人類的生產(chǎn)和生活方式。物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要組成部分，對(duì)于幫助學(xué)生理解和應(yīng)用物理基本概念和基本規(guī)律有著不可取代的作用。

電磁現(xiàn)象在初中及高中物理中均有涉及，初中物理電和磁部分的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中，要求“通過(guò)探究直流電動(dòng)機(jī)換向器的原理實(shí)驗(yàn)，了解通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，力的方向與電流及磁場(chǎng)的方向都有關(guān)系”等知識(shí)。高中物理選修模塊中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象展示了不同運(yùn)動(dòng)形式之間的聯(lián)系，是初中物理電磁部分的進(jìn)一步延伸。在高中物理實(shí)驗(yàn)類校本課程“小實(shí)驗(yàn)、大悟理”中，單極直流電動(dòng)機(jī)可以作為電磁部分的拓展延伸，培養(yǎng)學(xué)生的分析和動(dòng)手能力，也可以作為引課小實(shí)驗(yàn)，均能取得較好的教學(xué)效果。

1 單極直流電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器開發(fā)的兩種思路

電動(dòng)機(jī)的種類很多，以其結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要由定子、轉(zhuǎn)子和換向器構(gòu)成。定子在空間中靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)子則可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由軸承支撐。定子與轉(zhuǎn)子之間會(huì)有一定空氣間隙(氣隙)，以確保轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。本文主要介紹4種簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的制作方法，根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子的屬性分成兩大類：一類是磁鐵作為定子，線圈作為轉(zhuǎn)子，反之為第二類。

2 單極直流電動(dòng)機(jī)的制作說(shuō)明與設(shè)計(jì)原理

2.1 類一：磁鐵作為定子，線圈作為轉(zhuǎn)子

所用器材：電池、包裹絕緣層的銅絲、小刀、圓形小磁鐵(兩粒)、別針、電工膠帶、鉗子、橡皮泥。

2.1.1 類一模型1(見圖1)

圖1 類一模型1

制作說(shuō)明：

(1)取銅絲1根，在距離一端約10 cm處，用剪刀刮除8 cm長(zhǎng)的銅絲的絕緣層。絕緣層被刮除的部分用來(lái)做成磁鐵外圍的框架，可以把銅絲綁在圓形小磁鐵上形成一個(gè)圓圈。注意裸露的銅絲之間不要相互接觸，松緊度控制在與磁鐵恰好接觸，銅絲兩端引線的連線應(yīng)過(guò)圓圈的中心。

(2)接下來(lái)是完成框架的其余部分，兩端銅絲引線在距圓形小磁鐵0.5 cm處彎折90°。之后，對(duì)比電池，框架應(yīng)稍稍超過(guò)其高度，再?gòu)澱?0°。做完這一步，框架已經(jīng)完成三面，只剩下電池的上面，最后一邊的框架由于要將銅絲末端擰在一起，需要的銅絲長(zhǎng)度應(yīng)多出1 cm，用剪刀將多余的銅絲剪去，并用鉗子將末端擰在一起。

(3)將圓形小磁鐵吸附在電池負(fù)極，小磁鐵放置在框架的圓圈中，擰在一起的導(dǎo)線末端與電池正極接觸。適當(dāng)調(diào)節(jié)框架，使其與電池接觸良好并穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)原理：

圖2給出了線圈在圓形小磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的受力情況，不難發(fā)現(xiàn)，此實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于線圈所受安培力并不隨時(shí)間變化。另外，線圈框架對(duì)稱的結(jié)構(gòu)使得線圈在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終能夠保持平衡，從而使線圈能夠持續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 受力情況分析

2.1.2 類一模型2(見圖3)

圖3 類一模型2

制作說(shuō)明：

(1)繞制線圈時(shí)，選定導(dǎo)線中間一點(diǎn)，然后將兩端的導(dǎo)線緊密均勻地繞成方形導(dǎo)線圈(也可繞成圓形)，為了保證線圈的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)線的匝數(shù)最好在30圈以上。導(dǎo)線自由端在線圈中來(lái)回打個(gè)結(jié)，也可用膠帶纏繞使其固定住。

(2)用鋒利的小刀去除兩個(gè)線圈自由端一半的絕緣層，即導(dǎo)線一半的側(cè)面要保持絕緣，注意暴露的金屬絲應(yīng)朝向兩側(cè)相同方向。

(3)將線圈兩端暴露出的金屬絲伸進(jìn)別針的小孔內(nèi)，保持線圈伸直不彎曲。電池底座用橡皮泥粘在桌面上，用電工膠帶將別針分別粘在電池的兩極，使兩別針觸及電池的一極，別針的小孔在上端，繞好的線圈穿過(guò)別針小孔掛在電池的上方。

(4)用膠帶將圓形小磁鐵粘在電池的側(cè)面，注意保證它的中心在線圈的正下方。此時(shí)給線圈一個(gè)正確方向的初始轉(zhuǎn)動(dòng)，就能看到它連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)下去。

設(shè)計(jì)原理：

金屬線圈、別針和電池組成一個(gè)串聯(lián)回路，導(dǎo)線環(huán)中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，其方向可以通過(guò)右手定則確定。因?yàn)殡娏髟趯?dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)不總是垂直于貼在電池上的磁體，導(dǎo)線的磁場(chǎng)中的一些部分被排斥，引起線圈持續(xù)旋轉(zhuǎn)。去除線圈兩端一半絕緣層是為了周期性地?cái)嚅_電路，否則線圈的磁場(chǎng)會(huì)因?yàn)榕c磁鐵磁場(chǎng)相互吸引而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈連通時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)被固定磁鐵的磁場(chǎng)排斥；而當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到不排斥的位置時(shí)(線圈中電流為0)，會(huì)因?yàn)閼T性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直到相互排斥的位置。一旦移動(dòng)，線圈可繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直到電池沒電。該線圈只能沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的原因是錯(cuò)誤的旋轉(zhuǎn)方向不會(huì)造成磁場(chǎng)互相排斥，而是吸引。

2.2 類二：線圈作為定子，磁鐵作為轉(zhuǎn)子

所用器材：電池、絕緣電線、小刀、圓形小磁鐵(多粒)、電工膠帶、鉗子、釘子(鋼制)、記號(hào)筆、水管、墊圈、螺栓、膠水。

2.2.1 類二模型1(見圖4)

圖4 類二模型1

制作說(shuō)明：

(1)用記號(hào)筆在圓形小磁鐵上畫斜杠(也可在釘子上串些彩色紙片)，這樣做有助于觀察磁鐵的旋轉(zhuǎn)。

(2)將圓形小磁鐵吸附在釘子的釘帽上，并將釘子的尖端對(duì)準(zhǔn)電池的正極(正、負(fù)極皆可)，需要注意的是釘子的材質(zhì)需為鐵或鋼，而不能為銅。手握住電池或者用支架將其固定，釘子被磁化之后亦會(huì)吸附在電池上而不致脫落。

(3)將導(dǎo)線兩端的絕緣層刮除后，一端用手壓住導(dǎo)線使其與電池的正極(或負(fù)極)相連，另一端像一個(gè)刷子一樣貼在圓形小磁鐵的側(cè)面上。

設(shè)計(jì)原理：

此模型與類一模型1基本一致，不再敘述。此實(shí)驗(yàn)中電池短接，導(dǎo)線中有一個(gè)大的電流，因而會(huì)變得非常熱，可使用電工膠帶將導(dǎo)線粘在電池電極上。與之前所述實(shí)驗(yàn)主要的差別是將定子和轉(zhuǎn)子調(diào)換(前者線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，后者磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng))，釘子在這里的作用是其尖端使得轉(zhuǎn)子(釘子與磁鐵)與電池之間的摩擦力大為減小。實(shí)驗(yàn)中還可以調(diào)換電池兩極(或磁鐵兩極)的正負(fù)，觀察到磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向反向。

2.2.2 類二模型2(見圖5)

此模型又稱紐曼電動(dòng)機(jī)，是紐曼設(shè)計(jì)的一種直流電動(dòng)機(jī)。其原理仍是利用磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有力的作用，歷史上紐曼曾經(jīng)宣稱此電動(dòng)機(jī)的能源來(lái)自銅導(dǎo)線圈的質(zhì)量直接轉(zhuǎn)化的可用的能量。實(shí)際上，紐曼電動(dòng)機(jī)原理與其他類型的電動(dòng)機(jī)原理并無(wú)二致。

制作說(shuō)明：

(1)用膠水把圓形小磁鐵以圖5所示的形式粘在螺栓上，注意磁鐵的南北極保持一個(gè)方向。

圖5 類二模型2

(2)取暖水管子一截，從中心位置過(guò)中軸打穿兩個(gè)孔，用來(lái)穿過(guò)螺栓。在其上用銅線繞制線圈，螺栓上部分繞制80圈，下部分繞制80圈。

(3)將銅線一端與螺栓連在一起，另一端連到電源的負(fù)極(電源電壓為12 V)。螺栓的另一端可與一材質(zhì)較硬的彈簧連接，并將彈簧連接到電源的正極，為了不影響螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)，注意不要將彈簧固定在螺栓上，只需保持接觸即可。

此實(shí)驗(yàn)與其他的電動(dòng)機(jī)原理并無(wú)差別，在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，還可嘗試向用銅線繞制的線圈中加入一個(gè)LED燈，將其置于轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鐵上方，則會(huì)觀察到LED燈被點(diǎn)亮，并且與磁鐵的距離越近，亮度越大。

3 單極直流電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)制作教學(xué)的體會(huì)與反思

校本課程給了學(xué)生充分的時(shí)間對(duì)感興趣的實(shí)物進(jìn)行探索和鉆研，學(xué)生在親手設(shè)計(jì)和制作電動(dòng)機(jī)模型的過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷許多挫折，教師應(yīng)放手讓學(xué)生自己探究實(shí)踐，使他們能通過(guò)自己的努力獲得成功。本實(shí)驗(yàn)的制作和教學(xué)并非一蹴而就，教師反思后總結(jié)，可以分為原理設(shè)計(jì)、器材制備、交流展評(píng)三塊內(nèi)容，并將學(xué)生的作品在物理課堂教學(xué)中穿插展示，增強(qiáng)學(xué)生的成就感。

此外，電動(dòng)機(jī)也是許多力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的重要元件，后續(xù)可以拓展探究任務(wù)。例如，利用自己制作的電動(dòng)機(jī)組裝一個(gè)電動(dòng)小車，組裝成功后可利用小車載重物來(lái)探究小車最大載重與哪些因素有關(guān)。這個(gè)過(guò)程既培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，又使學(xué)生的動(dòng)手探究能力得到關(guān)注與培養(yǎng)。