交流發(fā)電機(jī)原理演示儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)

邱林瑜 程敏熙 黎雪明 彭藝

摘 ?要：中學(xué)交流發(fā)電機(jī)演示裝置存在局限與不足，筆者創(chuàng)新與制作了新的交流發(fā)電機(jī)演示儀。該演示儀利用直流電機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合單片機(jī)和Matlab軟件實(shí)時(shí)顯示交流電壓圖像，使交變電流可視化，并采用51單片機(jī)控制線圈處于中性面與非中性面位置時(shí)兩串燈帶的亮暗，更好地演示發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電的原理。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī);交變電流;單片機(jī);二極管;Matlab

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）10-0050-3

交變電流是高中物理電磁學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。新課標(biāo)要求學(xué)生能通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)交變電流，并能用公式和圖像描述正弦交變電流[1]。人教版教材中用手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)探究交變電流的變化規(guī)律[2]。筆者認(rèn)為，教材中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，自制了新的交流發(fā)電機(jī)演示儀，對(duì)交流發(fā)電機(jī)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了的改進(jìn)。

1 ? ?中學(xué)原用交流發(fā)電機(jī)的不足

中學(xué)原用交流發(fā)電機(jī)存在裝置較小，學(xué)生不易看清內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作存在諸多局限等問(wèn)題。

2 ? ?改進(jìn)發(fā)電機(jī)演示儀的原理結(jié)構(gòu)

2.1 ? ?交流發(fā)電機(jī)演示儀的原理

由法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律的相關(guān)知識(shí)可知，當(dāng)線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于穿過(guò)閉合線圈的磁通量會(huì)發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生大小和方向周期性變化的感應(yīng)電流，而且感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化[4]。

2.2 ? ?交流發(fā)電機(jī)演示儀的結(jié)構(gòu)

改進(jìn)的發(fā)電機(jī)演示儀是將12塊長(zhǎng)50 mm、寬10 mm、厚5 mm的長(zhǎng)方形強(qiáng)力磁石按極性粘貼在亞克力支架上用來(lái)模擬勻強(qiáng)磁場(chǎng)。把透明亞克力管作為轉(zhuǎn)軸并穿過(guò)透明線圈框架，在亞克力線圈框架上將0.3 mm的漆包線繞1000匝做成矩形線圈，并將線圈兩端與集電環(huán)相接，線圈轉(zhuǎn)軸組、軸承組、集電環(huán)、電刷、支架等組裝后放置在強(qiáng)磁鐵中間。轉(zhuǎn)軸一端接入手搖柄，另一端通過(guò)萬(wàn)向軸與直流電機(jī)相連，這就構(gòu)成發(fā)電機(jī)演示儀的基本結(jié)構(gòu)。手搖或電機(jī)帶動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，即可在電刷輸出端產(chǎn)生交流電。自制發(fā)電機(jī)演示儀實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本演示儀有兩項(xiàng)創(chuàng)新的改進(jìn)設(shè)計(jì)：一是制作交流電規(guī)律演示面板，由兩組反向并聯(lián)紅、綠發(fā)光二極管的外電路與數(shù)據(jù)處理器組成。外電路可用于檢測(cè)交流電的方向。數(shù)據(jù)處理器是通過(guò)32單片機(jī)ADC模塊測(cè)出電刷輸出端的電壓值，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)诫娔X，最后在Matlab軟件實(shí)時(shí)顯示出交流電壓隨時(shí)間變化的圖像。二是在線圈外圍接入反向并聯(lián)的兩串LED燈帶，固定光敏傳感器與激光的位置，利用激光以及光敏電阻傳感器檢測(cè)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)位置信息，并將信息傳輸?shù)?1單片機(jī)使其控制線圈處于中性面與非中性面位置時(shí)兩串燈帶的亮暗，實(shí)現(xiàn)線圈處于中性面位置時(shí)LED燈不亮，經(jīng)過(guò)中性面位置后LED燈帶亮的顏色發(fā)生改變的功能。演示儀原理圖如圖4所示。

3 ? ?交流發(fā)電機(jī)演示儀的操作步驟

3.1 ? ?手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)電刷的輸出端（兩線）接入“交變電流規(guī)律演示面板”中“交變電流方向”模塊中的接線柱，與兩組反向并聯(lián)發(fā)光二極管（紅燈、綠燈）相連。轉(zhuǎn)動(dòng)手搖桿，使線圈在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，觀察兩組反向并聯(lián)二極管的發(fā)光情況，可發(fā)現(xiàn)兩組發(fā)光二極管是交替發(fā)光的（圖5、6），由此說(shuō)明發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流方向是隨時(shí)間不斷變化的。

3.2 ? ?交流電變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)電刷輸出端（兩線）接入“交變電流規(guī)律演示面板”中“交變電流物理量”模塊中的接線柱，與電腦進(jìn)行連接。打開電腦中的Matlab軟件，啟動(dòng)電機(jī)開關(guān)，利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)線圈在磁場(chǎng)中以恒定角速度做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，并觀察電腦Matlab軟件實(shí)時(shí)顯示的交流電壓隨時(shí)間變化的圖像，可觀測(cè)到交流電壓隨時(shí)間變化的圖像是正弦圖像（圖7），并顯示描述交流電的峰值、周期，這說(shuō)明發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流的大小、方向都是呈周期性規(guī)律變化的。

3.3 ? ?發(fā)電機(jī)原理演示

啟動(dòng)51單片機(jī)開關(guān)及激光開關(guān)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手搖桿，讓線圈從中性面位置開始，逆時(shí)針在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)一圈（360°），觀察此過(guò)程中線圈外圍的兩組LED燈帶亮暗情況。同時(shí)，教師配合教材圖示（圖8）引導(dǎo)學(xué)生分析線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)90°產(chǎn)生電流的大小與方向，可先分析線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁通量的變化，從而判斷線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小變化，結(jié)合右手定則即可判斷線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。

當(dāng)線圈處于中性面位置時(shí)，可觀察到兩串燈帶都不亮，如圖9所示。當(dāng)線圈從中性面位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到垂直中性面位置過(guò)程中，可觀察到綠燈亮（圖10），繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°過(guò)程中仍然是綠燈亮，但再次處于中性面位置時(shí)，兩串燈帶都不亮。線圈接著從中性面位置旋轉(zhuǎn)90°到垂直中性面位置的過(guò)程中，可觀察到紅燈亮（圖11），繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°過(guò)程中仍然是紅燈亮，但回到中性面位置時(shí)，兩串燈帶都不亮。線圈處于中性面位置時(shí)兩串燈帶都不亮，經(jīng)過(guò)中性面位置后，亮的燈帶顏色由綠色變?yōu)榧t色，這一演示現(xiàn)象符合發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電的原理，可以配合教師運(yùn)用楞次定律講解、分析發(fā)電機(jī)原理，幫助學(xué)生理解和記憶“線圈處于中性面位置時(shí)不產(chǎn)生電流;線圈經(jīng)過(guò)中性面位置，電流方向會(huì)改變一次”的物理知識(shí)。

4 ? ?小 ?結(jié)

（1）演示儀構(gòu)造整潔，多采用透明的亞克力板作支撐，可視化高，既能實(shí)現(xiàn)手搖發(fā)電，也能利用電機(jī)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電可利用線圈接入并聯(lián)的多個(gè)紅綠二極管發(fā)光情況來(lái)判斷電流的方向，使學(xué)生從視覺上直觀、清晰地觀察到感應(yīng)電流方向在不斷地做周期性變化。

（2）演示儀采用直流電機(jī)帶動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，利用32單片機(jī)記錄交流電壓數(shù)據(jù)，并在電腦的Matlab軟件實(shí)時(shí)顯示交流電壓隨時(shí)間變化的圖像，波形貼近理想正弦交流電。通過(guò)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中電壓波形圖使交流電可視化，幫助學(xué)生同時(shí)觀察交流電大小與方向的變化規(guī)律。

（3）由于演示儀線圈形狀與教學(xué)線圈圖示相匹配，本儀器能形象地演示線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程，并利用51單片機(jī)控制LED燈帶在中性面與非中性面處的亮燈情況，配合教師直觀分析線圈位置與產(chǎn)生電流方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系，幫助學(xué)生把物理過(guò)程和規(guī)律對(duì)應(yīng)起來(lái)，深刻理解發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交變電流的原理。

參考文獻(xiàn)：

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[3]郭春姍. 高中物理教學(xué)中發(fā)電機(jī)模型的改進(jìn)創(chuàng)新——便攜式發(fā)電機(jī)原理形象演示儀的研制[J].教育與裝備研究， 2014（2）：30-31.

[4]湯廷，代偉，段晨靚，等.交流電大小、方向變化演示儀[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016，29（2）：75-77.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）