微型電動(dòng)機(jī)系列實(shí)驗(yàn)裝置的制作和使用

梁振華

摘? ?要：微型直流電動(dòng)機(jī)在生活中有較多的應(yīng)用，特別是在一些電動(dòng)玩具中都有直流電動(dòng)機(jī)。利用這些小型直流電動(dòng)機(jī)制作的教具貼近生活，可以演示關(guān)于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)、非純電阻電路特點(diǎn)、電動(dòng)機(jī)中的電磁感應(yīng)等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī);電阻;電路

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）4-0052-3

1? ? 非純電阻電路演示裝置

1.1? ? 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)電路圖如圖1所示，電路中的R為10 Ω的電位器，L1和L2是兩只相同的小燈泡，燈泡L1和電動(dòng)機(jī)M串聯(lián)，燈泡L2和電位器R串聯(lián)，再將兩條支路并聯(lián)。當(dāng)電源接通后，兩條支路的電壓相等，使電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為純電阻，調(diào)節(jié)電位器R，使兩個(gè)小燈泡的亮度相同，即電動(dòng)機(jī)的線圈電阻和電位器R的阻值相同;當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電路為非純電阻電路，此時(shí)燈泡L2比燈泡L1亮，即經(jīng)過(guò)電位器的電流大于經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流。

1.2? ? 制作方法

采用玩具中常用的小型電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)上安裝了自制葉片，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻選用了最大阻值為10 Ω的電位器。用5 mm厚的亞克力板制作了“⊥”型展示板，將電路圖打印在不干膠貼紙上，并粘貼在展示板上。在展示板上對(duì)應(yīng)位置打孔，將各器件安裝在展示板上，如圖2所示。

1.3? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）按住電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸，閉合開(kāi)關(guān)K，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)電位器R，使燈泡L1、L2亮度相同。此時(shí)，電位器接入電路的電阻與電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻相同，通過(guò)電位器和電動(dòng)機(jī)的電流相同。

（2）松開(kāi)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸，使電動(dòng)機(jī)正常工作，此時(shí)燈泡L1、L2亮度不同，燈泡L1變暗，燈泡L2亮度幾乎不變。此時(shí)，通過(guò)電位器和電動(dòng)機(jī)的電流不相等，經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流不能用純電阻電路的歐姆定律來(lái)計(jì)算。

（3）在電動(dòng)機(jī)支路上接入電流傳感器，電動(dòng)機(jī)兩端接入電壓傳感器，進(jìn)行進(jìn)一步的定量探究。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生對(duì)純電阻電路和非純電阻電路的區(qū)別有具體的認(rèn)識(shí)和理解。

2? ? 電動(dòng)機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換

2.1? ? 電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能

利用此裝置能夠直觀地觀察到電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，輸出機(jī)械能的同時(shí)還有熱量的產(chǎn)生。

2.1.1? ? 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3甲所示，電路中的電動(dòng)機(jī)接在3 V電源兩端，機(jī)械能以風(fēng)扇的形式表現(xiàn)，在電動(dòng)機(jī)表面安裝溫度測(cè)量探頭，用溫度計(jì)顯示電動(dòng)機(jī)工作時(shí)溫度的變化。閉合開(kāi)關(guān)后，電動(dòng)機(jī)正常工作，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)、輸出機(jī)械能的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生熱量，溫度計(jì)的示數(shù)會(huì)緩慢上升。

2.1.2? ? 制作方法

電動(dòng)機(jī)使用了玩具中常用的小型電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)上安裝了風(fēng)扇葉片。用5 mm厚的亞克力板制作的“⊥”型展示板，將電路圖打印在不干膠貼紙上，并粘貼在展示板上。在展示板上對(duì)應(yīng)位置打孔，將各器件安裝在展示板上。

2.1.3? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

閉合開(kāi)關(guān)K，使電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，用紙片或紙條放置在電動(dòng)機(jī)前方，顯示電動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出機(jī)械功，電動(dòng)機(jī)工作一小段時(shí)間后，可觀察到溫度計(jì)示數(shù)緩慢上升。即電動(dòng)機(jī)工作的過(guò)程中電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能。

2.2? ? 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能——手搖發(fā)電

2.2.1? ? 實(shí)驗(yàn)原理

電動(dòng)機(jī)的工作原理是通電線圈在磁場(chǎng)中受到安培力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而成為發(fā)電機(jī)。如圖3乙所示的電路，將小燈泡L接在電動(dòng)機(jī)兩端，使電動(dòng)機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電流，可使小燈泡L發(fā)光。

2.2.2? ? 制作方法

將自動(dòng)轉(zhuǎn)向玩具車上的電動(dòng)機(jī)和變速齒輪箱整體拆卸，在輸出轉(zhuǎn)軸上裝上自制搖動(dòng)手柄，變成手搖發(fā)電機(jī)，搖動(dòng)手柄，可以使連接在電動(dòng)機(jī)上的兩個(gè)小燈泡發(fā)光。

2.2.3? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將簡(jiǎn)易手搖發(fā)電機(jī)接入電路，與小燈泡L構(gòu)成閉合回路，搖動(dòng)手柄使電動(dòng)機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，可觀察到小燈泡發(fā)光，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，小燈泡L亮度越亮。機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

3? ? 電動(dòng)機(jī)中的電磁阻尼

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)原理

電動(dòng)機(jī)的線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)電路閉合時(shí)會(huì)有電流產(chǎn)生，產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2? ? 制作方法

本實(shí)驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)廢舊光驅(qū)中拆下的小電機(jī)，按照如圖4所示的電路將各器件安裝在亞克力板“⊥”型展示板上。分別在兩個(gè)電動(dòng)機(jī)上安裝自制線軸和直徑約為10 cm、厚約為1 mm的鐵質(zhì)轉(zhuǎn)盤(pán)（由切割片改裝）。將一條系有小重物的細(xì)線繞在線軸上。

3.3? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）實(shí)驗(yàn)：電磁阻尼（如圖5）

①將開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，細(xì)線繞在線軸上，將小重物釋放，電動(dòng)機(jī)在重物的帶動(dòng)下快速轉(zhuǎn)動(dòng)，小重物快速下降。

②將開(kāi)關(guān)K閉合，細(xì)線重新繞在線軸上，釋放重物后，電動(dòng)機(jī)在重物的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)比開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和重物的下落速度明顯變慢。

本實(shí)驗(yàn)演示了當(dāng)閉合回路發(fā)生電磁感應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)阻礙發(fā)生電磁感應(yīng)的原因，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）實(shí)驗(yàn)：電磁剎車（下轉(zhuǎn)第55頁(yè)）

（上接第53頁(yè)）

①斷開(kāi)K2，閉合K1，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后，斷開(kāi)K1，可觀察到電動(dòng)機(jī)緩慢減速，大約需要60 s會(huì)停止。

②斷開(kāi)K2，閉合K1，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后，斷開(kāi)K1的同時(shí)迅速閉合K2，可觀察到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速減小，大約需要30 s會(huì)停止。

本實(shí)驗(yàn)演示了電磁阻尼實(shí)際應(yīng)用的一種方式。

4? ? 后? ?記

本系列電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)際生活中常使用的微型電動(dòng)機(jī)，貼近生活實(shí)際，在實(shí)際使用過(guò)程中效果明顯，能極大地激發(fā)學(xué)生的興趣。

（欄目編輯? ? 王柏廬）

收稿日期：2018-12-14

作者簡(jiǎn)介：梁振華（1981-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事高中物理教學(xué)和物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的研究，曾獲全國(guó)自制教具能手稱號(hào)。