电动机与发电机相互转换的实验装置

刘信生，陶士金 ，傅求宝 ，张大明

(1.庐江县龙桥镇初级中学,安徽 合肥 231551;2.合肥市教育科学研究院,安徽 合肥 230071;3.庐江县教育体育局 教研室,安徽 合肥 231500;4.庐江县第四中学,安徽 合肥 231500)

1 问题的提出

电动机与发电机都属于电机类, 是实现电能与机械能相互转换的电磁机电装置[1]. 在现实生活中，电动机与发电机装置的应用非常广泛,也是初中物理新课标[2]要求掌握的重要内容之一. 沪粤版初中物理教材[3]第十七章“电动机与发电机”的授课内容被分为3节，其中17.1节和17.2节教学内容的设置思路为：通过实验探究教学，总结得出电动机工作原理与其模型制作过程；17.3节教材内容的设计理念为：探究发电机的工作原理和实用发电机的结构. 其中电磁感应原理是电、磁联系的知识应用，也是本章的教学重点. 该章的教学目标为：初步培养学生的能量观念，让学生深入了解电能生磁、磁也能生电，并在现实生活的物理应用中，培养学生的逆向思维能力. 但在实际教学过程中，电动机与发电机的探究实验活动有先后之分，实验探究得出的结论在表达上也有先后之别，从而导致学生对电动机和发电机的认知相分离. 因此，在实际教学过程中，如何将电动机与发电机进行有机整合，实现二者之间的有效转换，帮助学生更好地理解二者之间的联系与区别是目前需解决的问题. 根据该问题，本文设计了电动机和发电机可相互转换的实验装置，帮助学生更好地理解这部分内容，体现了当下“减负提质”的教学变革理念.

2 实验装置的灵感来源

2.1 探究实践活动的启发

在电动机的教学中，通过实验室电动机模型的演示实验，学生发现电能可以转换为机械能；在发电机的教学中，当学生用力摇动小马达的摇把时，串联在电路中的小灯泡被点亮，如图1所示.

图1 发电机演示装置图

此时，有学生对该款发电机提出质疑：a.改变摇把转动方向，产生的感应电流方向是否会发生改变；b.手摇马达产生的感应电流，其大小是否稳定不变. 针对以上问题，有学生将2只发光二极管的极性颠倒后并联接入电路，如图2所示. 根据发光二极管的单向导电性，可画出简单电路示意图，如图2(b)所示. 为了进一步探究感应电流的特点，可以用电流传感器等数字化软件测量感应电流的大小，再描绘出电流变化图像，以此反映感应电流的特点.

(a)实物装置图 (b)示意图

学生小组根据以上分析进行合作探究，具体操作如下：

1)将电流传感器与数据采集器接入装有数字化软件的电脑上，并将小马达串联接入电路；

2)打开数字化软件，创建电流传感器界面，点击“采集参数”设定记录时间为20 s，摇动小马达的摇把，用鼠标点击“开始”，每隔5 s改变1次摇把的转向.

3)重复以上步骤，分析数据、绘制电流图像，如图3所示.

图3 电流-时间图像

通过实验探究发现，发电机(微型手摇小马达)将机械能转换为电能时，产生的感应电流大小和方向并非保持不变，而是与摇把的转速和转向有关. 另外，在操作过程中还发现电动机与发电机在能量转换上存在可逆性，因此制作了电动机与发电机相互转换装置教具.

2.2 理论分析

2.2.1 电动机原理

电动机是通电线圈在磁场中受力转动，将电能装换为机械能的装置，如图4所示. 在磁体N极和S极之间固定绕轴转动的电驱绕组(矩形线圈制成)，闭合电源，通过电刷和换向器将直流电通入线圈，依据左手定则，通电线圈在磁场中因受到电磁力矩的作用而绕轴转动. 当线圈转至平衡位置(与磁场方向垂直)时，换向器通过改变线圈中电流的方向实现线圈持续转动，从而将电能转换为机械能.

图4 电动机原理图

2.2.2 发电机原理

发电机是根据电磁感应原理，将机械能转换为电能的装置，如图5所示. 在磁体N极和S极之间固定绕轴转动的矩形线圈，并与电路连接形成闭合回路，依据右手定则，感应电流方向与磁场方向、导体切割磁感线方向有关[4]. 根据感应电动势Ε=BLvsinθ(B为磁感应强度，L为线圈切割磁感线的有效长度，v为线圈的线速度，θ为线圈速度方向与磁感线之间的夹角)，当线圈顺时针转动时，线圈通过换向器和电刷将感应电流向外输送；当线圈逆时针转动时，线圈产生的感应电流方向发生变化，这与2.1中的实验现象一致. 因此，磁场中线圈的转向不变时，输出的感应电流方向也不变，该装置被称为“直流发电机”.

图5 发电机原理图

综上所述，电动机与发电机的核心装置基本相同，装置的空间结构也非常相似，因此电动机与发电机之间实现相互转换具有科学依据.

3 电动机与发电机相互转换的实验装置

3.1 实验器材

微型手摇发电机1台，充电电池(3.7 V，1 500 mAh)1块，颠倒两极且并联连接的红绿色发光二极管成品支架1个，长方形亚克力透明板(30 cm×15 cm×0.5 cm)1块，闸刀开关2个，导线若干，长方体免漆板(25 cm×8 cm×2 cm)2块，木板包边条1根，充电钻1个，手工小锯1把，热熔胶棒枪1支.

3.2 部件与支架的组装

按图6所示结构图进行组装.

图6 实验装置结构电路图

具体操作如下：

1)用充电钻在长方形亚克力透明板的上部中间位置打小孔洞，并将孔洞的中间部分掏空，孔洞大小为正好能将手摇发电机水平插入在亚克力孔内；

2)水平插入手摇发电机，电机的接线柱在亚克力透明板的另一侧露出，用热熔胶将电机固定在亚克力板上；

3)将亚克力透明板竖直立在1块免漆板(作为底座)上方，用手工小锯将另1块免漆板从中间位置锯成大小相等的2块，并用锯开的2块免漆板竖直夹紧亚克力板，再用热熔胶固定免漆板和亚克力透明板，完成支架定型；

4)在亚克力透明板的正面，用导线将充电电池和闸刀开关串联；

5)在亚克力透明板的背面，将颠倒两极且并联连接的红绿色发光二极管成品支架和另一闸刀开关串联；

6)将正、背面的支路并联，并分别用导线连接手摇小马达的2个接线柱；

7)用热熔胶将充电电池与开关固定在正面底座的免漆板上，将二极管成品支架与另一闸刀开关固定在背面底座的免漆板上；再用木板包边条将装置底座免漆板的4个切面包贴好，此时装置的正、背面是2条独立的并联支路，而手摇小马达接在电路的干路中，如图7所示.

(a)电动机装置(正面)

3.3 实验装置的演示过程

电动机与发电机相互转换的实验演示过程及现象可通过扫描图8的二维码观看. 具体操作步骤如下：

图8 实验演示视频二维码

1)闭合正面(电动机装置)开关S1，将小马达接入电路，可观察到小马达的摇把开始转动，此时小马达为正常工作的电动机，该过程为电能转换为机械能.

2)断开正面开关S1，闭合背面(发电机装置)开关S2，将小马达接入电路，当顺时针摇动马达摇把时，观察到支架上只有绿色二极管发光；当逆时针摇动摇把时，观察到支架上只有红色二极管发光，即感应电流的方向与摇把的转向有关，此时小马达为正常工作的发电机，该过程为机械能转换为电能.

通过以上演示可知，手摇马达既可以作为电动机使用，也可以作为发电机使用. 由于电动机和发电机的内部结构几乎相同，因此能够实现二者之间的有效转换，其能量的转换方式互逆.

4 实验效果的评价

4.1 增强实验的可视性

装置中电机(小马达)在通电情况下，其摇把会自动旋转并发出齿轮摩擦的声音，此时电机是将电能转换为机械能的电动机；在另一侧电路中，用力摇动电机摇把，其中一个发光二极管会立即发光，改变摇把的转向，另一个发光二极管会立即发光，此时电机是将机械能转换为电能的发电机，而且感应电流的方向与摇把的转向有关. 通过以上演示，学生在听觉、视觉和触觉上有全方位的体验，能够更容易理解电动机和发电机之间的联系和区别. 因此，该实验装置具有较强的可视性，能够激发学生的学习兴趣，引发学生深度思考.

4.2 提高学生的参与度

通常教学中，教师将电动机与发电机可以相互转换的结论直接告诉学生，导致知识点只能停留在学生的识记层面上；或者让学生分立地探究电动机装置和发电机装置，导致学生无法将2种电机进行有效整合. 电动机与发电机相互转换演示装置的制作过程，可以调动学生的积极性，让学生主动参与到实验的演示、评估与分析中，以凸显学生的主体地位，提升学生探索未知世界的兴趣，激发学生学习物理的潜能.

4.3 实验装置的普适性

物理教育家朱正元曾经说过“制作的演示仪器要注意简单、明了、尺寸够大”[5]. “简单”即以实验室现有的或者日常生活用品为主的低成本器材进行制作；“明了”即突出重点主题，避繁就简、主次分明；“尺寸够大”即突出可视性的特点，体现“高见度、强视觉”的优点. 因此，教师要善于从日常生活用品中开发实验器材，采用简单朴实的方式展现复杂过程或抽象问题中的物理内涵，激发学生的学科兴趣和求知探索欲望[6]. 电动机与发电机相互转换装置演示教具的制作过程和实验教学展示正是体现以上创新实验教学的理念与精神. 与以往的电动机与发电机二合一演示装置[1]相比，该装置更适合初中学生使用. 学生可以利用生活中的废旧电机、发光二极管等材料进行自主制作，整个装置的成本较低，制作过程简单，可复制性强，易于操作，具有较强的普适性.

5 结束语

电动机与发电机相互转换装置在当前义务教育“双减”政策下的物理实验教学中具有引领作用. 利用该装置进行相互转换实验，不仅能够训练学生的思维，减轻学生的学习负荷，还能够让学生树立能量可以相互转换的物理观念，提升学生的逆向思维能力，在创新实验教学中培养学生的物理学科核心素养.