電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)相互轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)裝置

劉信生，陶士金 ，傅求寶 ，張大明

(1.廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué),安徽 合肥 231551;2.合肥市教育科學(xué)研究院,安徽 合肥 230071;3.廬江縣教育體育局 教研室,安徽 合肥 231500;4.廬江縣第四中學(xué),安徽 合肥 231500)

1 問(wèn)題的提出

電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)都屬于電機(jī)類, 是實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)電裝置[1]. 在現(xiàn)實(shí)生活中，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)裝置的應(yīng)用非常廣泛,也是初中物理新課標(biāo)[2]要求掌握的重要內(nèi)容之一. 滬粵版初中物理教材[3]第十七章“電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)”的授課內(nèi)容被分為3節(jié)，其中17.1節(jié)和17.2節(jié)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置思路為：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，總結(jié)得出電動(dòng)機(jī)工作原理與其模型制作過(guò)程；17.3節(jié)教材內(nèi)容的設(shè)計(jì)理念為：探究發(fā)電機(jī)的工作原理和實(shí)用發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu). 其中電磁感應(yīng)原理是電、磁聯(lián)系的知識(shí)應(yīng)用，也是本章的教學(xué)重點(diǎn). 該章的教學(xué)目標(biāo)為：初步培養(yǎng)學(xué)生的能量觀念，讓學(xué)生深入了解電能生磁、磁也能生電，并在現(xiàn)實(shí)生活的物理應(yīng)用中，培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維能力. 但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)有先后之分，實(shí)驗(yàn)探究得出的結(jié)論在表達(dá)上也有先后之別，從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的認(rèn)知相分離. 因此，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，如何將電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)進(jìn)行有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)二者之間的有效轉(zhuǎn)換，幫助學(xué)生更好地理解二者之間的聯(lián)系與區(qū)別是目前需解決的問(wèn)題. 根據(jù)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)可相互轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)裝置，幫助學(xué)生更好地理解這部分內(nèi)容，體現(xiàn)了當(dāng)下“減負(fù)提質(zhì)”的教學(xué)變革理念.

2 實(shí)驗(yàn)裝置的靈感來(lái)源

2.1 探究實(shí)踐活動(dòng)的啟發(fā)

在電動(dòng)機(jī)的教學(xué)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)機(jī)模型的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電能可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；在發(fā)電機(jī)的教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生用力搖動(dòng)小馬達(dá)的搖把時(shí)，串聯(lián)在電路中的小燈泡被點(diǎn)亮，如圖1所示.

圖1 發(fā)電機(jī)演示裝置圖

此時(shí)，有學(xué)生對(duì)該款發(fā)電機(jī)提出質(zhì)疑：a.改變搖把轉(zhuǎn)動(dòng)方向，產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向是否會(huì)發(fā)生改變；b.手搖馬達(dá)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其大小是否穩(wěn)定不變. 針對(duì)以上問(wèn)題，有學(xué)生將2只發(fā)光二極管的極性顛倒后并聯(lián)接入電路，如圖2所示. 根據(jù)發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦?，可?huà)出簡(jiǎn)單電路示意圖，如圖2(b)所示. 為了進(jìn)一步探究感應(yīng)電流的特點(diǎn)，可以用電流傳感器等數(shù)字化軟件測(cè)量感應(yīng)電流的大小，再描繪出電流變化圖像，以此反映感應(yīng)電流的特點(diǎn).

(a)實(shí)物裝置圖 (b)示意圖

學(xué)生小組根據(jù)以上分析進(jìn)行合作探究，具體操作如下：

1)將電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器接入裝有數(shù)字化軟件的電腦上，并將小馬達(dá)串聯(lián)接入電路；

2)打開(kāi)數(shù)字化軟件，創(chuàng)建電流傳感器界面，點(diǎn)擊“采集參數(shù)”設(shè)定記錄時(shí)間為20 s，搖動(dòng)小馬達(dá)的搖把，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開(kāi)始”，每隔5 s改變1次搖把的轉(zhuǎn)向.

3)重復(fù)以上步驟，分析數(shù)據(jù)、繪制電流圖像，如圖3所示.

圖3 電流-時(shí)間圖像

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)(微型手搖小馬達(dá))將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小和方向并非保持不變，而是與搖把的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向有關(guān). 另外，在操作過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換上存在可逆性，因此制作了電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)相互轉(zhuǎn)換裝置教具.

2.2 理論分析

2.2.1 電動(dòng)機(jī)原理

電動(dòng)機(jī)是通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能裝換為機(jī)械能的裝置，如圖4所示. 在磁體N極和S極之間固定繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的電驅(qū)繞組(矩形線圈制成)，閉合電源，通過(guò)電刷和換向器將直流電通入線圈，依據(jù)左手定則，通電線圈在磁場(chǎng)中因受到電磁力矩的作用而繞軸轉(zhuǎn)動(dòng). 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)至平衡位置(與磁場(chǎng)方向垂直)時(shí)，換向器通過(guò)改變線圈中電流的方向?qū)崿F(xiàn)線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能.

圖4 電動(dòng)機(jī)原理圖

2.2.2 發(fā)電機(jī)原理

發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，如圖5所示. 在磁體N極和S極之間固定繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的矩形線圈，并與電路連接形成閉合回路，依據(jù)右手定則，感應(yīng)電流方向與磁場(chǎng)方向、導(dǎo)體切割磁感線方向有關(guān)[4]. 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ε=BLvsinθ(B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為線圈切割磁感線的有效長(zhǎng)度，v為線圈的線速度，θ為線圈速度方向與磁感線之間的夾角)，當(dāng)線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈通過(guò)換向器和電刷將感應(yīng)電流向外輸送；當(dāng)線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向發(fā)生變化，這與2.1中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致. 因此，磁場(chǎng)中線圈的轉(zhuǎn)向不變時(shí)，輸出的感應(yīng)電流方向也不變，該裝置被稱為“直流發(fā)電機(jī)”.

圖5 發(fā)電機(jī)原理圖

綜上所述，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的核心裝置基本相同，裝置的空間結(jié)構(gòu)也非常相似，因此電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換具有科學(xué)依據(jù).

3 電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)相互轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

微型手搖發(fā)電機(jī)1臺(tái)，充電電池(3.7 V，1 500 mAh)1塊，顛倒兩極且并聯(lián)連接的紅綠色發(fā)光二極管成品支架1個(gè)，長(zhǎng)方形亞克力透明板(30 cm×15 cm×0.5 cm)1塊，閘刀開(kāi)關(guān)2個(gè)，導(dǎo)線若干，長(zhǎng)方體免漆板(25 cm×8 cm×2 cm)2塊，木板包邊條1根，充電鉆1個(gè)，手工小鋸1把，熱熔膠棒槍1支.

3.2 部件與支架的組裝

按圖6所示結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行組裝.

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)電路圖

具體操作如下：

1)用充電鉆在長(zhǎng)方形亞克力透明板的上部中間位置打小孔洞，并將孔洞的中間部分掏空，孔洞大小為正好能將手搖發(fā)電機(jī)水平插入在亞克力孔內(nèi)；

2)水平插入手搖發(fā)電機(jī)，電機(jī)的接線柱在亞克力透明板的另一側(cè)露出，用熱熔膠將電機(jī)固定在亞克力板上；

3)將亞克力透明板豎直立在1塊免漆板(作為底座)上方，用手工小鋸將另1塊免漆板從中間位置鋸成大小相等的2塊，并用鋸開(kāi)的2塊免漆板豎直夾緊亞克力板，再用熱熔膠固定免漆板和亞克力透明板，完成支架定型；

4)在亞克力透明板的正面，用導(dǎo)線將充電電池和閘刀開(kāi)關(guān)串聯(lián)；

5)在亞克力透明板的背面，將顛倒兩極且并聯(lián)連接的紅綠色發(fā)光二極管成品支架和另一閘刀開(kāi)關(guān)串聯(lián)；

6)將正、背面的支路并聯(lián)，并分別用導(dǎo)線連接手搖小馬達(dá)的2個(gè)接線柱；

7)用熱熔膠將充電電池與開(kāi)關(guān)固定在正面底座的免漆板上，將二極管成品支架與另一閘刀開(kāi)關(guān)固定在背面底座的免漆板上；再用木板包邊條將裝置底座免漆板的4個(gè)切面包貼好，此時(shí)裝置的正、背面是2條獨(dú)立的并聯(lián)支路，而手搖小馬達(dá)接在電路的干路中，如圖7所示.

(a)電動(dòng)機(jī)裝置(正面)

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置的演示過(guò)程

電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)相互轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程及現(xiàn)象可通過(guò)掃描圖8的二維碼觀看. 具體操作步驟如下：

圖8 實(shí)驗(yàn)演示視頻二維碼

1)閉合正面(電動(dòng)機(jī)裝置)開(kāi)關(guān)S1，將小馬達(dá)接入電路，可觀察到小馬達(dá)的搖把開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)小馬達(dá)為正常工作的電動(dòng)機(jī)，該過(guò)程為電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能.

2)斷開(kāi)正面開(kāi)關(guān)S1，閉合背面(發(fā)電機(jī)裝置)開(kāi)關(guān)S2，將小馬達(dá)接入電路，當(dāng)順時(shí)針搖動(dòng)馬達(dá)搖把時(shí)，觀察到支架上只有綠色二極管發(fā)光；當(dāng)逆時(shí)針搖動(dòng)搖把時(shí)，觀察到支架上只有紅色二極管發(fā)光，即感應(yīng)電流的方向與搖把的轉(zhuǎn)向有關(guān)，此時(shí)小馬達(dá)為正常工作的發(fā)電機(jī)，該過(guò)程為機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能.

通過(guò)以上演示可知，手搖馬達(dá)既可以作為電動(dòng)機(jī)使用，也可以作為發(fā)電機(jī)使用. 由于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎相同，因此能夠?qū)崿F(xiàn)二者之間的有效轉(zhuǎn)換，其能量的轉(zhuǎn)換方式互逆.

4 實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)

4.1 增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性

裝置中電機(jī)(小馬達(dá))在通電情況下，其搖把會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并發(fā)出齒輪摩擦的聲音，此時(shí)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)；在另一側(cè)電路中，用力搖動(dòng)電機(jī)搖把，其中一個(gè)發(fā)光二極管會(huì)立即發(fā)光，改變搖把的轉(zhuǎn)向，另一個(gè)發(fā)光二極管會(huì)立即發(fā)光，此時(shí)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)，而且感應(yīng)電流的方向與搖把的轉(zhuǎn)向有關(guān). 通過(guò)以上演示，學(xué)生在聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)上有全方位的體驗(yàn)，能夠更容易理解電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的聯(lián)系和區(qū)別. 因此，該實(shí)驗(yàn)裝置具有較強(qiáng)的可視性，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生深度思考.

4.2 提高學(xué)生的參與度

通常教學(xué)中，教師將電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)可以相互轉(zhuǎn)換的結(jié)論直接告訴學(xué)生，導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)只能停留在學(xué)生的識(shí)記層面上；或者讓學(xué)生分立地探究電動(dòng)機(jī)裝置和發(fā)電機(jī)裝置，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法將2種電機(jī)進(jìn)行有效整合. 電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)相互轉(zhuǎn)換演示裝置的制作過(guò)程，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)的演示、評(píng)估與分析中，以凸顯學(xué)生的主體地位，提升學(xué)生探索未知世界的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的潛能.

4.3 實(shí)驗(yàn)裝置的普適性

物理教育家朱正元曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“制作的演示儀器要注意簡(jiǎn)單、明了、尺寸夠大”[5]. “簡(jiǎn)單”即以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的或者日常生活用品為主的低成本器材進(jìn)行制作；“明了”即突出重點(diǎn)主題，避繁就簡(jiǎn)、主次分明；“尺寸夠大”即突出可視性的特點(diǎn)，體現(xiàn)“高見(jiàn)度、強(qiáng)視覺(jué)”的優(yōu)點(diǎn). 因此，教師要善于從日常生活用品中開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)器材，采用簡(jiǎn)單樸實(shí)的方式展現(xiàn)復(fù)雜過(guò)程或抽象問(wèn)題中的物理內(nèi)涵，激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣和求知探索欲望[6]. 電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)相互轉(zhuǎn)換裝置演示教具的制作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)展示正是體現(xiàn)以上創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念與精神. 與以往的電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)二合一演示裝置[1]相比，該裝置更適合初中學(xué)生使用. 學(xué)生可以利用生活中的廢舊電機(jī)、發(fā)光二極管等材料進(jìn)行自主制作，整個(gè)裝置的成本較低，制作過(guò)程簡(jiǎn)單，可復(fù)制性強(qiáng)，易于操作，具有較強(qiáng)的普適性.

5 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)相互轉(zhuǎn)換裝置在當(dāng)前義務(wù)教育“雙減”政策下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有引領(lǐng)作用. 利用該裝置進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，不僅能夠訓(xùn)練學(xué)生的思維，減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)荷，還能夠讓學(xué)生樹(shù)立能量可以相互轉(zhuǎn)換的物理觀念，提升學(xué)生的逆向思維能力，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).