動(dòng)手自制教具 給課本插圖裝上活動(dòng)的翅膀
——以“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”為例

吳慶華

(江蘇省沭陽(yáng)高級(jí)中學(xué),江蘇 沭陽(yáng) 223600)

課本的插圖蘊(yùn)含著大量物理信息,結(jié)合課本插圖,利用自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新,給課本插圖裝上活動(dòng)的翅膀,不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還可以突出教學(xué)重點(diǎn),突破教學(xué)難點(diǎn),高效培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)．本文以人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)教科書《物理》選修3-2“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”為例,介紹具體做法．

1 利用課本插圖,自制高頻金屬加熱與熔化器,突出教學(xué)重點(diǎn)

圖1

渦流的概念及其應(yīng)用是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn),圖1是課本26頁(yè)真空冶煉爐的插圖,渦流的教學(xué)可以參照?qǐng)D1自制實(shí)驗(yàn)教具,演示利用渦流加熱金屬,將抽象的理論形象化．

1.1 制作過程

(1) 將銅導(dǎo)線繞成的螺線管,制成加熱器如圖2．

(2) 將220 V、50 Hz交變電流轉(zhuǎn)變?yōu)?8 V直流電的整流設(shè)備和48 V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l(10 kHz)交流電的變頻設(shè)備組合,構(gòu)成高頻交流電源．

(3) 水泵和風(fēng)扇為電源散熱．

(4) 螺線管接高頻交流電源．

制成的高頻金屬加熱與熔化器,如圖3．

圖2

1.2 使用方法

將鐵片放入通電銅管繞制的螺線管內(nèi)部,本來很涼的鐵片在幾秒內(nèi)變紅,加熱鐵片效果如圖3所示．讓學(xué)生思考:鐵塊為什么會(huì)變紅?

本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生獲得真實(shí)且震撼的印象,激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣,從而引入渦流的概念．結(jié)合本實(shí)驗(yàn),從理論上分析渦流的產(chǎn)生及其熱效應(yīng),突出教學(xué)重點(diǎn)．

2 利用課本插圖,自制電磁阻尼演示器,突破教學(xué)難點(diǎn)

圖4

圖5

電磁阻尼實(shí)例分析是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn),圖4是課本28頁(yè)課后習(xí)題的插圖,電磁阻尼教學(xué)可以參照?qǐng)D4,自制管式電磁阻尼演示器,如圖5,供分組實(shí)驗(yàn)用,讓學(xué)生動(dòng)手完成．

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

鋁管(100 cm×2 cm),玻璃管(100 cm×2 cm),磁鐵,鐵塊．

2.2 使用方法

學(xué)生做3個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn): ① 讓磁鐵在玻璃管中下落,② 讓普通鐵塊在鋁管中下落,③ 讓磁鐵在鋁管中下落,3根管的長(zhǎng)度相同,分別記錄3種情況下物塊下落的時(shí)間．

觀察3個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:磁鐵在鋁管中下落時(shí)間長(zhǎng)達(dá)9 s,而鐵塊在鋁管中下落、磁鐵在玻璃管中下落較快,時(shí)間少于0.5 s．

為什么磁鐵在鋁管中下落很慢?而另外兩個(gè)下落得很快?學(xué)生自然會(huì)產(chǎn)生疑問:為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢?引導(dǎo)學(xué)生利用的電磁感應(yīng)知識(shí)來分析:磁鐵運(yùn)動(dòng),在鋁管中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),激發(fā)感生電場(chǎng),鋁管自成回路,形成渦旋狀感應(yīng)電流,即渦流,渦流的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化,即阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng),所以磁鐵下落慢．通過演示和理論分析,讓學(xué)生感性認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上加深對(duì)電磁阻尼概念及本質(zhì)的理解,有效突破本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)．

2.3 演示開口鋁管實(shí)驗(yàn)和演示直角鋁片實(shí)驗(yàn)

圖6

圖7

讓磁鐵在開口鋁管下落,如圖6,觀察下落的時(shí)間．再讓磁鐵在直角鋁片上下滑,如圖7,觀察下落的時(shí)間．可以觀察到磁鐵在開口鋁管中下落和磁鐵在直角鋁上下滑,仍然較慢．

設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生體會(huì),并非只有管狀物中才產(chǎn)生渦流,開口的鋁管和直角鋁片中也能形成了渦流．根據(jù)電磁感應(yīng)定律,由于導(dǎo)體形狀不同,有效面積發(fā)生變化,因而磁通量的變化率不同,渦流的強(qiáng)弱不同．

3 利用課本插圖,自制電磁驅(qū)動(dòng)演示器,提高演示實(shí)驗(yàn)的可視度

電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析是本節(jié)課教學(xué)的又一個(gè)難點(diǎn),圖8為課本第27頁(yè)電磁驅(qū)動(dòng)的插圖,實(shí)驗(yàn)室提供演示的線框尺寸較小,可視度低．自制的電磁驅(qū)動(dòng)演示器的線框,尺寸大,可視度高,如圖9．

圖8 圖9

3.1 制作過程

(1) 用木板(500 cm×120 cm×30 cm)作底座,用鐵皮制成搖把固定支架,把鋁框做成的支架固定在有轉(zhuǎn)軸端的木條底座上,在頂端打孔,將不銹鋼鋼條穿過小孔并固定在支架上,制成底座．

(2) 用鐵皮、鋼筋制成一個(gè)比鋁框稍大的U型框和搖把,用螺母將U型框與搖把固定連接,安裝在支架上,將釹鐵硼強(qiáng)磁體安裝在U型框上,轉(zhuǎn)動(dòng)搖把能形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)．

(3) 在方形鋁材上鋸下一個(gè)鋁框(110 cm×110 cm×10 cm),用塑料做一同樣大小的框,從中間位置打孔,打孔處套上凹凸塑料墊圈(絕緣),用304不銹鋼條穿過孔,讓框子可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)．

3.2 使用方法

(1) 轉(zhuǎn)動(dòng)搖把使U型框形成變化的磁場(chǎng),處于其中的閉合鋁框也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)起來,這就是電磁驅(qū)動(dòng)．

(2) 將上述鋁框換為塑料框,旋轉(zhuǎn)磁鐵,塑料框不轉(zhuǎn)動(dòng),這說明非金屬材料在磁場(chǎng)中不能產(chǎn)生感生電流,無(wú)法形成電磁驅(qū)動(dòng)．

讓學(xué)生觀察、比較鋁框和塑料框在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況,引導(dǎo)學(xué)生分析鋁框轉(zhuǎn)動(dòng)的原因,生成電磁驅(qū)動(dòng)概念,理解其本質(zhì)．

3.3 自制鼠籠式電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)是電磁驅(qū)動(dòng)重要的應(yīng)用,圖10為課本28頁(yè)交流電動(dòng)機(jī)的插圖,把圖9的鋁框換成鋁質(zhì)鼠籠,便是鼠籠式電動(dòng)機(jī),如圖11．利用三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),就像圖11中旋轉(zhuǎn)的磁鐵的磁場(chǎng)一樣,驅(qū)動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng),這就是異步電動(dòng)機(jī)原理．

這樣配置的線圈，連接到三相電源時(shí)能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)

一種交通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖10

圖11

設(shè)計(jì)鼠籠式電動(dòng)機(jī)教具做實(shí)驗(yàn)的目的,是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)物理模型在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的重要作用,感受科學(xué)向技術(shù)轉(zhuǎn)化的過程．

根據(jù)課本插圖,動(dòng)手自制教具,并非是一帆風(fēng)順的,需要反復(fù)制作、實(shí)驗(yàn)、修改、研討,最終才能制作完成．但辦法總比困難多,可以照原圖做,可以放大做,可以變通做,等等．只要勤于動(dòng)手,方法得當(dāng),就一定能夠制造出合適的教具,給課本插圖裝上活動(dòng)的翅膀．