簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制作

陳士元

(南京市高淳區(qū)第二中學(xué),江蘇　南京　210013)

?

簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制作

陳士元

(南京市高淳區(qū)第二中學(xué),江蘇南京210013)

在蘇科版、滬科版、人教版的初中物理教材中都有相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容涉及簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)，根據(jù)的物理原理相同,但設(shè)計(jì)的方法不同.在教學(xué)中教師如何完成教學(xué)任務(wù)？動(dòng)手制作簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)所需的材料和工藝問題如何解決？筆者進(jìn)行了嘗試，提供了參考意見.

簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)；制作

簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)在蘇科版、滬科版、人教版的初中物理教材中都有相應(yīng)的設(shè)計(jì),相同的物理原理,不同的設(shè)計(jì)方法,筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)三種版本教材中的設(shè)計(jì)各有所長(zhǎng),經(jīng)過實(shí)踐摸索，總結(jié)出了具有特色的制作方法.

1　蘇科版教材中簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)容分析

圖1

蘇科版初中物理教材涉及簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī),如圖1所示，教材設(shè)計(jì)的意圖是想讓老師和學(xué)生動(dòng)手制作.在實(shí)際工作中,卻發(fā)現(xiàn)看起來簡(jiǎn)單做起來難.2013年為參加江蘇省初中物理教師實(shí)驗(yàn)技能大賽,南京市教育局技裝處開辦了初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與技能培訓(xùn)班,結(jié)業(yè)考核時(shí)要求設(shè)計(jì)并制作簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī),結(jié)果是23位優(yōu)秀物理教師中只有幾位讓線圈轉(zhuǎn)動(dòng)了起來.2014年南京市教研室舉辦學(xué)生“實(shí)驗(yàn)?zāi)苁帧北荣?11支代表隊(duì)33名選手無一人能做成功.

簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)模型在蘇科版初中物理教材中呈現(xiàn)了示意圖,對(duì)制作技術(shù)只提出了線圈兩端漆包線漆的刮法：一端全刮,另一端刮去一半.當(dāng)然從圖示中可以看出,磁鐵是環(huán)形的、線圈是方形的而且是多匝，支架是銀白色金屬絲.底板是草綠色材料,支架可插入，對(duì)支架供電則沒有顯示.

2　滬科版教材中簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)分析

比較滬科版與蘇科版初中物理教材中簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)的制作,滬科版教材中設(shè)計(jì)得比較具體,如圖2所示，線圈支架采用回形針、固定用膠帶、底座是紙板、線圈漆包線用料長(zhǎng)度是1m,制作后要能在支架上平衡轉(zhuǎn)動(dòng)等等.線圈兩端都只刮去一半,且在同側(cè).換向器是直流電機(jī)最重要的部件之一,當(dāng)線圈剛轉(zhuǎn)過平衡位置時(shí),換向器能自動(dòng)改變線圈中電流的方向,從而改變線圈受力方向,使線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵是條形的,豎直放置,從圖示看位置好像有點(diǎn)遠(yuǎn).蘇科版和滬科版二種教材雖然說法不一,但是從效果上來說是等價(jià)的.

圖2

3　人教版教材中簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)分析

人教版教材對(duì)簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是線圈簡(jiǎn)單、尺寸要求具體,如圖3所示，矩形線圈的尺寸為3×2cm，磁鐵是蹄形磁鐵.但支架有點(diǎn)高，硬金屬絲材質(zhì)也不明確.

圖3

4　線圈面面觀

筆者有幸搜集到了老師們制作的7個(gè)線圈,如圖4、5所示，存在的問題:一是線圈形狀不規(guī)整,沒有用工具修整.二是對(duì)線圈的靜平衡和動(dòng)平衡沒有校正,制作失敗.

5　簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)模型的制作

筆者制作的指導(dǎo)思想是,選材要有參數(shù),方便他人參考學(xué)習(xí),制作要說明要點(diǎn)，便于復(fù)制,適于推廣.漆包線粗了就硬,細(xì)了就軟,選材的粗細(xì)、軟硬程度要適合手工制作,一般選擇直徑在0.5mm左右，線圈匝數(shù)多少不是主要問題.筆者主張用單匝線圈,這樣材料耗用少.至于線圈的形狀,人教版和蘇科版為矩形,滬科版為圓形,筆者主張徒手做,可做成鴨蛋形，制作步驟如下：

(1) 準(zhǔn)備材料:漆包線(線徑約0.5mm)、銅線(線徑約1mm)、電池盒、電池、發(fā)光二極管、一塊泡沫塑料(約7×9×2cm3)、小環(huán)形磁鐵(外徑約3cm)、老虎鉗、鋼鋸條等.

(2) 制作支架和底座,參考蘇科版教材，支架用材選銅質(zhì),如果是回形針會(huì)受到磁鐵的影響.選用直徑約1mm的銅絲,長(zhǎng)度約8cm,如果是漆包線須刮去漆膜.用手彎成支架,如圖6所示.將兩個(gè)磁鐵并在一起放在泡沫塑料中央,兩個(gè)支架插在磁鐵邊緣處.

圖6

(3) 線圈的加工和制作采用最簡(jiǎn)單的辦法,用長(zhǎng)20cm左右的漆包線,預(yù)留2cm,在食手指上繞一下,將兩線絞在一起,這時(shí)有了一銅線環(huán),再讓長(zhǎng)的一端從環(huán)中間穿過,到另一端再繞一下,一個(gè)線圈毛坯就做成了(如圖7).對(duì)線圈毛坯的鉸接處要用老虎鉗咬壓、固定好,并且要拍平線圈,抹直兩端引出線，兩端漆膜的處理參考蘇科版教材的方法.

圖7

(4) 線圈調(diào)試,參考滬科版教材，觀察線圈的靜平衡,將線圈放在支架上,觀察線圈平面,如果處于豎直狀態(tài),需調(diào)整線圈的邊框,理想狀態(tài)是處在水平面,但傾斜一點(diǎn)問題不大.觀察線圈的動(dòng)平衡,用手指捻一下線圈的一端,觀察轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的平衡情況,如果發(fā)生跳起,說明線圈重心不在線圈平面內(nèi)需用硬物拍一下(線圈調(diào)試是關(guān)鍵技術(shù)也是核心技術(shù)).

(5) 連接并檢查電路,將1號(hào)電池裝入電池盒,兩個(gè)鱷魚夾分別夾在兩個(gè)支架上.借用發(fā)光二極管檢查支架間是否有電(如圖8).

圖8

(6) 試做,將線圈放在支架上,輕輕捻動(dòng),看看線圈能否轉(zhuǎn)起來(線圈的旋轉(zhuǎn)方向取決于電流方向和磁感線方向,服從左手定則),如果不轉(zhuǎn)，在確定支架有電的情況下,那肯定是線圈兩端接觸不好,需再用鋼鋸條輕輕地刮一次，特別是只刮去一半的一端.

6　制作技術(shù)總結(jié)

簡(jiǎn)單電動(dòng)機(jī)模型制作的技術(shù)要點(diǎn):線圈制作好后,要進(jìn)行靜平衡校正和動(dòng)平衡校正,靜平衡校正是指線圈放在支架上,線圈平面不能處于豎直狀態(tài),校正方法是用手指擠壓一下線圈邊框,調(diào)整線圈的重心位置.動(dòng)平衡校正是指用手捻一下線圈的一端,讓線圈轉(zhuǎn)起來,如果發(fā)現(xiàn)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有點(diǎn)跳,原因是線圈重心不在線圈平面內(nèi),校正方法是用平板拍一下,這樣線圈重心就回到線圈平面內(nèi)了，單匝的要比多匝的容易調(diào)整.

要注意的細(xì)節(jié)是,二個(gè)支架凹槽高度要相同.用發(fā)光二極管測(cè)試確定支架上有電,放上線圈用手捻動(dòng)線圈,發(fā)現(xiàn)不動(dòng),再用鋼鋸條刮幾下線圈接觸支架的兩端線,以確保接觸良好.筆者在南京市各區(qū)開設(shè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)講座,在實(shí)際操作中,有老師發(fā)現(xiàn)漆包線漆刮去一半改為三分之二效果會(huì)更好一些.也有老師指出：刮漆很重要,一定要仔細(xì)刮干凈、刮徹底.