教具“人工心脏泵”的研制

(江苏省射阳县临海初级中学，江苏 盐城 224351)

1 问题的提出

苏科版初中物理九年级下册第十六章“电磁转换”第二节“WWW”第5题介绍了“人工心脏泵”的装置，要求学生应用电流磁场的知识分析它的原理，教材上只给出了原理示意图(如图1)，学生理解比较困难，实验室中没有现成的装置，为此笔者带着学生一起设计、制作了教具。

图1

2 材料及制作

2.1 制作材料

准备的材料有：木板、旧电脑固定硬盘铁盒、透明塑料板、喇叭中永磁体和线圈、9伏电源、塑料夹板、饮料瓶、一次性针筒、单向阀、透明塑料管、水槽等。

2.2 原理图及其部件

“人工心脏泵”原理如图2所示，其中1为电源，2为开关，3、4为与电源两极相连、位于覆铜板圆盘外圈上的碳刷，5、6为与线圈的两端相连、位于覆铜板中心处的碳刷，7为位于覆铜板圆盘中心处的旋转手柄，8为电磁铁线圈,9为环形磁铁，10为T形软铁，11为环形软铁，12为电磁铁线圈的引线，13为行程限位块，14为支架，15为电磁铁与活塞之间的塑料连接杆，16为循环泵的活塞，17为循环泵的泵体，18为循环泵的出液管，19为轻质弹簧，20为循环泵单向阀的瓣膜，21为循环泵的进液管，22为水槽,23为循环泵的出液管固定件。

图2

2.3 制作过程

(1) 电源开关安装：选取9伏电源与手动旋转覆铜板换向开关连接在一起，并安装到旧电脑中固定硬盘的铁盒上；

(2) 底座安装：用自攻螺丝把旧电脑固定硬盘铁盒安装在木板上的一端；

(3) 电磁铁安装：拆下废旧喇叭后面的永磁体和线圈，把线圈和饮料瓶用AB胶固定在一起，用导线把线圈与开关焊接在一起，再把饮料瓶盖与针筒的活塞杆用AB胶连接在一起；

(4) 针筒与单向阀的安装：把两个单向阀联通粘接在一起，中间开孔，然后在针筒的头部打一个洞与两个单向阀开孔处粘接成三通，两个单向阀出口分别接上塑料管，再把针筒粘接在透明塑料板上，固定三通管。

(5) 总体安装：把永磁体放在底座的旧电脑固定硬盘铁盒的一端，然后根据线圈在永磁体内活动的行程来确定针筒固定的位置，把透明塑料板固定在木板上，再取下永磁体，把活塞杆放入针筒中，再装上永磁体，调整好位置。

2.4 制作注意事项

(1) 电源的电压不能过高，防止电流过大烧坏线圈；

(2) 永磁体附近要保持清洁，不能让铁屑进去；

(3) 音频线圈靠近永磁体一侧要装一个限位挡块，防止线圈由于惯性冲出永磁体磁隙范围，在活塞与三通一侧也要安装一个限位弹簧，防止活塞由于惯性冲出去，使线圈离开永磁体过远；

(4) 防止活塞运动时所受阻力过大，可以把活塞的橡胶头削去一些。

3 展示过程及创新点

装置安装完成后(如图3)，把两个塑料管的出口放在水槽里，在水槽里加满水，为了使现象明显，可以在水里加一些红墨水。接通电源，手动旋转覆铜板上的换向开关，不断改变线圈里的电流方向，从而改变活塞的受力方向，使得水槽里的水经塑料管(相当于静脉)不断地被吸入三通，再从另一塑料管(相当于动脉血管)压出，如此循环往复。在课堂教学过程运用自制教具，使课堂教学变得生动有趣，教学效果良好。

图3

本教具具有以下创新点：(1) 手动旋转覆铜板上换向开关，形象直观，便于学生观察实现电流方向变换的方式。(2) 电磁动力输出系统能输出强劲有力的动力，由环形磁铁、T型软铁、环形软铁构成的高磁通量的环形磁隙和环形线圈组成的电磁动力输出系统便于拆装，便于观察。(3) 在循环泵系统中使用了两个单向阀，以实现液体的单向流动。