改进教具突破“电动机”教学难点的探索

王登建

山东省聊城文轩初级中学(252000)

电动机的工作原理“磁场对电流的作用”体现了电与磁之间的联系,是初中电磁学的核心知识。由于线圈中电流的方向和受力方向都具有较强的抽象性,分析“线圈不能持续转动的原因”和“换向器的作用”是本节课的教学难点。突破教学难点的关键是实验,即利用实验为学生提供清晰的思维表象,让学生“看到”线圈中电流的方向以及电流的方向是怎样改变的。然而,实验室配备的相关器材是含有换向器的电动机模型(见图1),这种模型的线圈绕制复杂,无法直观显示电流方向,而且无法演示通电线圈在平衡位置附近摆动,最终静止在平衡位置的现象,不适合用来探究线圈不能持续转动的原因。在广泛查阅文献的基础上,笔者对现有的相关教具进行了改进,制作出了“立式通电线圈在磁场中受力转动演示装置”,该装置除了能演示通电线圈在磁场中发生扭转的实验外,稍作变化便可以演示直流电动机的工作原理(即换向器的作用),取得了较好的教学效果。

图1 实验室配备的电动机模型

1 设计思路

为了突破教学难点,有的教师设计制作了水平矩形线圈在磁场中受力转动的模型[1],较好地展示了实验现象。但断电时,若使线圈在水平面内静止,两边对转轴的重力矩必须相等,对制作工艺要求较高。吴庆华、宋明两位老师采用立式单匝线圈设计制作了“直流电动机多功能演示器”[2],该演示器结构简洁,不必考虑重力矩的影响,但美中不足的是:该演示器不能直观地显示线圈中电流的方向。在此基础上,笔者想到可以采用“组合技法”对线圈进行改进:将LED灯带和矩形线框相结合,利用发光二极管的单向导电性显示电流的方向,且发光LED灯带的颜色不同表示电流方向不同。几经探索,获得了初步成功。

2 所需材料和制作过程

2.1 材料与制作工具

低压LED灯带(5 V,一灯一剪,背部带胶条,红、绿各16个)、铁条(1 300 mm×20 mm×2 mm)1条、木板(300 mm×150 mm×20 mm)1块、A4文件夹背部塑料封装条4个(不同颜色)、漆包线(长约50 m,直径0.67 mm),硬金属丝(长约400 mm,直径4 mm)1条、薄铜片(80 mm×5 mm)2片、圆木棍(长约60 mm,直径20 mm)1段、双导铜箔胶带(10 mm×0.1 mm)、强钕磁铁(60 mm×40 mm×5 mm×0.3 mm)6块、微型轴承(内径2 mm)、拨动开关1个、螺丝钉、螺母(直径4 mm)8套,剪刀、电烙铁、焊锡、电钻、热熔胶枪、彩纸等。

2.2 主要制作过程

2.2.1 旋转线圈的制作

将塑料封装条两侧可活动的边缘剪掉一部分,留下约5 mm深的凹槽;将4根加工好的塑料凹槽条组装成1个长宽约20 cm×25 cm的矩形线框(需要弯折的部位用酒精灯稍微加热,待其变软后折成所需的直角),塑料条相连接的部位用热熔胶固定。在线框两短边的中点打孔,穿入硬金属丝作为转轴。用漆包线沿线框绕制50匝左右的线圈。

沿圆木棍纵轴轴心打孔,把转轴和线圈的一端从孔内穿过,用热熔胶将圆木棍、转轴、线框固定在一起。将双导铜箔胶带在圆木棍上缠绕成2个彼此绝缘的集流环,把线圈的两端分别焊接在2个集流环上。制作完成的旋转线圈如图2所示。

图2 制作完成的旋转线圈

2.2.2 支架的制作

将铁条折成长宽35 cm×28 cm的矩形框架,上边中间打孔,作为转轴的限位孔。将框架固定在作为底座的木板上。为了减小转动时的摩擦,在转轴与底座相接触处用热熔胶固定1个微型轴承,把转轴的末端打磨尖细,竖直放在轴承内即可。

薄铜片的一端打孔,用螺丝固定在底座上作为电刷,仔细调整,使之与线圈的集流环接触良好。

2.2.3 LED电流方向显示电路部分的制作

将LED灯带按照5红、5绿和3红、3绿剪成4段,构造2个发光单元:把5红、5绿两段灯带的正负极焊接在一起,无论电流从哪个方向流入总有一组LED发光,且电流方向不同,发光颜色不同。同样的方法,利用3红、3绿两段灯带构造另一个发光单元。把2个发光单元分别粘贴到线圈与磁感线垂直的两条边上,把2个发光单元并联起来,确保第1个发光单元发红光时,第2个发光单元发绿光,表示两边电流的方向相反。为了能从各个方向都能观察到LED发光情况,线圈的另一面按同样的方法粘贴LED灯带。最后把发光单元的正负极连同线圈的两端焊接在集流环上。为了使线圈和发光单元独立工作、互不影响,可给发光单元设置1个微型拨动开关。整个电流方向显示电路的电路图如图3所示。

图3 电流方向显示电路

2.3 组装与调试

将红、蓝两色彩纸分别粘贴到磁铁的N、S两极,然后把磁铁异名磁极相对吸附在铁条支架的两侧。把转动线圈的转轴置于支架正中的限位孔和底座上表面轴承之间。仔细调节电刷的长度与角度,使之既能与线圈的集流环接触良好,又不至于摩擦过大而影响线圈的转动,必要时可把铅笔芯碾成粉末,涂抹在集流环和电刷的表面以减小摩擦。

经过多次实验,该教具采用输出为“5 V 1.0 A”的手机充电宝作为电源即可获得较为理想的实验效果。

3 利用该教具能完成的实验及注意事项

3.1 利用该教具能完成的实验

3.1.1 演示“通电线圈在磁场内发生扭转”

断开电流方向显示电路的开关,使线圈静止在与磁感线平行的平面内,接通电源,可看到线圈发生明显的偏转(接近180°),静止后立即向反方向摆动,最后静止在平衡位置附近。

在分析线圈不能持续转动的原因时,闭合电流方向显示电路的开关,可以看到AB、CD两边LED灯带发出的光颜色不同(见图4),表明两边灯带中的电流方向相反,所受磁场力的方向也相反,但两力不在同一条直线上,使线圈发生转动。当线圈转过平衡位置后,灯光的颜色不变,表明电流的方向没有变化,所受磁场力的方向也不变,该力阻碍线圈继续转动,直至线圈静止并向反向转动。

图4 AB、CD两边电流方向不同

3.1.2 演示“换向器的工作原理”

闭合电流方向显示电路的开关,使线圈处在冲过平衡位置后到达的地方,交换电源的正负极,可以看到AB、CD两边灯带发光的颜色与原来相反,即电流的方向发生了改变,同时可以观察到线圈继续沿原方向转动。

用透明绝缘胶带在两集流环上各缠绕半匝(或者把两集流环均对称地剪掉一半),使集流环成为换向器,通电后线圈持续转动。同时可以清晰地观察到每当线圈转过平衡位置后,AB或CD边LED灯带发光的颜色发生改变(见图5),加深学生对换向器工作原理的理解。

图5 线圈经过平衡位置前后电流方向的变化

3.2 注意事项

线圈转动过程中,有时会出现显示电流方向的LED灯带一色正常发光,另一颜色灯带闪烁不定的现象,这种现象多数情况下是由于电刷与集流环(或换向器)接触不良造成的,可把铅笔芯碾成粉末,涂抹在集流环和电刷的表面,使之始终接触良好。

演示“换向器的工作原理”时,为了便于观察线圈中电流方向变化情况,可以在电路中串联1个滑动变阻器,调节滑动变阻器的阻值,使线圈的转速在50 r/min以下。

4 教具的特点

本教具尺寸足够大,可见度高,转动灵活,实验现象明显。采用高亮度LED灯带显示电流方向,能为学生理解换向器的工作原理提供清晰的思维表象,降低思维难度。

教具组装简单,线圈、磁铁均可以取下,满足学生近距离观察换向器、电刷结构的需求。利用它还可以用来探究“电动机转动的方向与哪些因素有关”等拓展性实验。

教具采用双导铜箔胶带代替铜环制作转动线圈的集流环和换向器,在高度仿真和保证实验效果的前提下简化了制作工艺。采用充电宝作为电源更加环保、节能。

5 结束语

物理学是一门以实验为基础的学科,刘炳昇教授认为:“在物理教学中培养和发展学生的核心素养,最关键的问题就是如何对待物理实验”[3]。实验不仅能为学生提供思维表象,丰富学生的学习体验,促进物理观念的形成,还对学生实验探究能力的发展、科学态度与责任的养成起着举足轻重的作用。自制教具能弥补常规仪器的不足与缺陷,提高实验教学的质量与效率。利用生活中随手可得的材料制作教具还能体现物理与生活的密切联系,激发学生的好奇心与求知欲,还能为学生开展探究性学习作出表率。“立式通电线圈在磁场中受力转动演示装置”所需材料易得,制作工艺简单,一具多用,具有较好的直观性,有利于启发学生的思维,突破“电动机”一节的教学难点。