自制“电生磁”实验教具的设计与制作

李 会 高 军

(曲靖师范学院物理与电子工程学院,云南 曲靖 655011)

子曰:知之者不如好之者,好之者不如乐之者．在教育上,为师者要看学生乐于哪一方面,就在哪方面培养他,这才是师道的原则．物理学是一门实验科学,也是一门极富洞察力和想象力的科学．新颖、理性的物理实验能形象生动地展现自然现象背后的本质、规律和内在联系,是培养学生乐学的重要载体．当今时代的日新月异,学生身处其中,体验感也正发生着微妙的变化．为此,笔者借助智能手机软件对人教版初中物理教科书“电生磁”一节的电生磁实验教具[1-3]进行了创新设计与制作,经过反复实验和教学实践,发现本教具能较好地体现“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”的原则,对激发学生学习兴趣及开展探究式教学皆有较好的启发意义．

1 问题的提出

教材设计了通电直导线和螺旋管的电生磁实验．通电直导线电生磁实验如图1所示．通电螺旋管的电生磁实验如图2所示．通电直导线电生磁实验是基于著名的奥斯特实验进行设计的,实验操作简单,结论易得,符合学生认知规律,但是实验现象不容易被大多数学生明显观察到,实验演示效果不佳．通过铁屑来研究通电螺旋管的磁场来间接演示了电生磁,此实验操作受空间和仪器本身约束较大,实验现象需近距离观察或者投影放大,因此在课堂上演示实验的观察效果与教学效果均不理想．教材从“电流的磁效应”过渡到“通电螺旋管的磁场演示实验”,是通过提出问题“为什么手电筒在通电时连一根大头针都吸不动?”来过渡的,然而学生实际生活中对手电筒了解不多,缺乏充分的认知基础,对手电筒在通电时吸不吸得动一根大头针也缺少实验体验的过程．为弥补上述不足,笔者设计并制作了一套利用智能手机实现无线控制的电生磁实验教具,该实验教具融入了“数字化、生活化、趣味化”元素,在开展科学探究的学习体验过程中,能更好地激发学生深度的科学探究欲望,提高实验教学效果．

图1 通电直导线的电生磁实验

图2 螺旋管的电生磁实验

2 教具的设计特色

本实验需要220 V的交流电作为电容的充电电源,考虑到教具的安全性,该实验教具在设计时采用使用智能手机与89SC51单片机串接的蓝牙模块配对连接,从而实现智能手机对实验教具的远程无线操控，教具设计流程如图3所示．

图3 教具设计流程

用智能手机从百度上下载并安装一款名为“蓝牙小车”的手机APP软件,软件如图4所示．先将编好的程序写入单片机中,接着打开手机里的“蓝牙小车” 软件,软件操控界面如图5所示．点击“搜寻设备”,找到单片机连接好的蓝牙模块,并完成配对连接．最后便可以利用智能手机上安装的“蓝牙小车”APP软件对继电器等实验教具各个元件进行控制．具体操作如下.

当点击“蓝牙小车”的“←”键时,软件会向单片机发送“0x01”的指令代码,使得舵机顺时针方向转过15°,完成舵机的顺时针转向．当点击“→”键时,软件会向单片机发送“0x03”的指令代码,使得舵机逆时针方向转过15°．当点击中心键时,继电器1接通,开始对电容进行充电．当点击“↓”键时,软件会向单片机发送“0x02”的指令代码,继电器1断开,电容完成充电．当点击“↑”键时,软件会向单片机发送“0x04”的指令代码,继电器2接通的瞬间又快速断开,就这样完成了智能手机远程无线操控实验教具的独特设计．

图4 “蓝牙小车”软件图5 软件操控界面

3 教具的制作

3.1 材料准备

蓝牙小车APP软件;漆包铜丝(直径1 mm,长度7-8 m);塑料管(直径4 mm,长度14 cm);502强力胶1支;杜邦线数根;Futaba s3010舵机1个;电容3个(450 V,220 μF);KBJ 2510扁型整流桥堆1块(25 A,1000 V);SRD-05VDC-SL-C小型五脚功率继电器2个;STC89C51单片机1片;JY-MCU HC-06蓝牙透传模块1片;电阻1个(100 Ω);铁钉(直径2 mm,长度25 mm);电线数米;长木板(长40 cm,宽8 cm)．

3.2 制作要点

(1) 整流桥堆的连接.

将一根带有插头的两孔电源插座线的一端剪开,把里面的两根导线拉出,用剥线钳分别把两根导线的绝缘塑料层剥掉使其露出0.5 cm的铜线,将两段长为1.5 cm的热缩套管分别套在两根导线上,最后将剥好的铜线用焊锡焊接到KBJ2510扁型整流桥堆(下文简称整流桥堆)的两个交流接线柱上,焊接好后将事先套好的热缩套管移到焊接部位,再用热风枪对热缩套管进行热处理,使其收缩固定在焊接部位,做好绝缘保护工作．

(2) 电容串联.

取两段长1.5 cm的导线,分别将两段用剥线钳剥掉0.5 cm的绝缘层,然后用这两段导线将3个电容的“-”极焊接在一起;取另外两段长1.5 cm的导线,同样将两段用剥线钳剥掉0.5 cm的绝缘层,然后焊接到这3个电容的“+”极上．

(3) 整流桥堆和负载的焊接.

从整流桥堆的“-”极接线柱焊接1根导线,在焊接的位置用热缩套管套上并用热风枪进行热处理,导线的另一端用剥线钳剥掉0.5 cm的绝缘塑料,将其焊接到3个串联电容A端的“-”极上,从整流桥堆的“+”极焊接1根导线在焊接的位置用热缩套管套上并用热风枪进行热处理,导线的另一端用剥线钳剥掉0.5 cm的绝缘塑料,在该导线上套上一段2 cm的热缩套管,之后将导线与电阻(100 Ω)的接线柱焊接起来,再把热缩套管移动到焊接的位置,用热风枪对套管进行热处理．

(4) 继电器的焊接.

取1根导线,将它的一端与电阻(100 Ω)的一端焊接在一起,并用热缩套管套在焊接的位置,并做热处理;导线的另一端用剥线钳剥出0.5 cm 的导线,将其接到继电器1的“公共端”;再取1根导线分别将两端各剥掉0.5 cm 的绝缘层,一端接在继电器1的“常开端”,另一端接在电容A端的“+”极上;通过控制继电器1的通断来控制整流桥堆与电容“+”极的通断,从而实现智能手机无线控制电容的充放电．

再取1根导线,将它的两端各剥掉0.5 cm 的绝缘层,导线的一端焊接到电容B端的“-”极,另一端焊接到线圈的一个接线柱上;再把另一根导线两端各剥掉0.5 cm 的绝缘层,一端焊接到电容B端的“+”极再将导线的另一端连接到继电器2的“公共端”,取1根导线两端各剥掉0.5 cm 的绝缘层,一端接入继电器2的“常开端”用于控制电容对线圈的放断电,再将导线的另一端焊接到线圈的另一端．

(5) 线圈的制作.

取1根塑料管(直径4 mm,长度14 cm),将漆包铜丝紧密地缠绕在塑料管上,在缠绕之前留出3 cm的铜丝用做接线柱,并将作为接线柱的铜丝用砂纸将漆打磨掉,大约12匝为一层,共7层左右,每绕完一层用502胶水将其固定防止实验时线圈脱落,缠绕完后,留出3 cm的铜丝用做接线柱并用砂纸将漆打磨掉．

(6) 实验教具的组装.

将绕好的铜线圈用透明胶带固定在舵机的支架上,防止舵机在转动的时候,线圈松动或脱落,再将舵机固定在长木板一侧上,将电容、继电器、单片机、蓝牙模块和电阻用热软胶固定在长木板上,完成电生磁实验教具的制作,教具如图6、图7所示．

图6 电生磁实验教具实物图(侧视)

图7 电生磁实验教具实物图(俯视)

4 实验原理

根据电流的磁效应,瞬变电流通过电线圈可以产生瞬态磁场．当交流电通过整流桥堆整流得直流电时,用智能手机上的“蓝牙小车”软件给单片机发送相应的指令从而控制继电器1的通断给电容充电,电容充电完成后再使用“蓝牙小车”智能手机软件向单片机发送相应的指令来控制继电器停止电容充电;之后用智能手机上的“蓝牙小车”软件发送相应的指令控制继电器2对绕在塑料管外的线圈进行瞬时放电,这时线圈会产生强大的瞬态磁场,相当于通电螺线管,就相当于一个条形磁铁．它产生的瞬时磁场可以使铁钉磁化,磁化后铁钉的磁极方向与通电螺线管的磁极方向相反,所以铁钉放入螺线管的位置决定铁钉的飞行方向．

如图8甲所示,当铁钉没有完全放入螺线管时,露在通电螺线管外部的一端会被磁化为与通电螺线管尾部相反的异性磁极,处在通电螺线管内部的铁钉会被磁化为与通电螺线管头部相反的异性磁极,因为相同磁极相互排斥,不同磁极相互吸引的缘故,铁钉就会被吸进螺线管中去,同时螺线管断电失去磁性,铁钉由于惯性会继续保持原有的运动状态以一定的速度向螺线管的头部方向发射出去．

如图8乙所示,当铁钉完全放入螺线管,靠近螺线管尾部的一端会被磁化为与螺线管尾部相反的磁极,而靠近螺线管的头部的一端则被磁化为与头部相反的磁极,由于异性磁极相互吸引的缘故,铁钉将会向尾部方向运动,由于惯性,铁钉会继续保持原有的运动状态以一定的速度向螺线管尾部方向发射出去．

图8 铁钉发射原理示意图

5 实验演示及实验结论

打开智能手机“蓝牙小车”APP软件,如图6所示,点击“↑”键,发射铁钉．观察到铁钉将距离“枪口”6～7 m远的“靶”气球打爆;将“靶子”换成1 mm厚的硬纸板,重复上述操作,观察到硬纸板被打穿．教师提出“为什么铁钉具有这样的威力?”问题,引导学生分组讨论“铁钉具有强穿透力的原因”,分析归纳出“电流具有磁效应,且可以被观察到”的实验结论．

6 结语

本实验教具是利用智能手机、生活中的易得材料开发出来的,教具采用智能手机远程控制,操作简单、安全且实验效果好．此外,实验现象的本质需要经历一定的分析才能得到,使得本教具在教师开展科学探究时能发挥更大的价值．

参考文献：

1 王富明.低压电磁炮教学演示仪[J].教学仪器与实验,2013,29(12):46-47.

2 郭俊冀.教具电磁炮的制作原理与改进[J].中学物理,2012,30 (13):27.

3 吴雯.一种改进的电流磁效应演示装置[J].实验教学与仪器,2013, 30 (9):52.