組合式多功能電機(jī)教具的制作及運(yùn)用

劉 輝 汪志榮

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

自制教具服務(wù)于課堂教學(xué),需要與教科書(shū)介紹原理的插圖相似．[1]而電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的基本原理圖具有一致性,因此可以考慮統(tǒng)籌設(shè)計(jì)和制作教具,實(shí)現(xiàn)兩種功能兼顧,[2]這樣既可以促進(jìn)學(xué)生理解,也能讓學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的內(nèi)在聯(lián)系．有人提出利用環(huán)形磁鐵、線圈及靈敏電流計(jì)等制作教具進(jìn)行演示,如無(wú)換向器結(jié)構(gòu)的通電線圈在磁場(chǎng)中擺動(dòng)和有換向器結(jié)構(gòu)的通電線圈在磁場(chǎng)中持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象,以及直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程等,但因?yàn)榫€圈轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦較大,轉(zhuǎn)速不夠快,難以點(diǎn)亮小燈泡;[3]為增強(qiáng)效果,采用長(zhǎng)方形強(qiáng)銣磁鐵、漆包線、銅片等材料制作電機(jī)教具,但教具結(jié)構(gòu)封閉且相對(duì)固定,不利于拆解觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開(kāi)展自主實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)．[4]以下自制組合式直流電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)一體化教具,不僅有利于認(rèn)識(shí)直流電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的工作原理,同時(shí)在結(jié)構(gòu)上便于拆解和組裝,能夠直觀展示它們的內(nèi)在結(jié)構(gòu)．

圖1 通電線圈受力分析圖

圖2 直流電動(dòng)機(jī)原理示意圖

圖3 發(fā)電機(jī)原理示意

1 教具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

本裝置主要由底板、磁鐵、線圈、電刷、轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)5個(gè)部分構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖4．為便于拆解和組裝,5個(gè)部分結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立．具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下．

圖4 組合式多功能電機(jī)教具結(jié)構(gòu)圖

1.1 底板結(jié)構(gòu)

底板由長(zhǎng)50 cm,寬40 cm,厚1 cm的木板制作,如圖5,它是整個(gè)教具的基礎(chǔ)部分．在底板的橫向固定3個(gè)由PVC板制作的槽口,每個(gè)槽口都有鉆有4個(gè)直徑0.2 cm的小孔,和線圈支架上面的小孔重合,只要插入直徑同為0.2 cm的細(xì)金屬條,即可將轉(zhuǎn)動(dòng)線圈固定在底板上．底板的縱向兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)帶夾層的磁鐵底座,可以用于放置邊長(zhǎng)10 cm,厚2 cm的強(qiáng)銣磁鐵,通過(guò)改變磁鐵在夾層中的位置,可改變?cè)搮^(qū)域中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度．此外,在底板的一端,固定有4個(gè)直徑5 cm的木制圓柱,用于支撐轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)．

圖5 底板結(jié)構(gòu)圖

1.2 線圈結(jié)構(gòu)

教具設(shè)有3只帶支架的轉(zhuǎn)動(dòng)線圈,如圖6所示．其中長(zhǎng)方體支架都是由 PVC板切割而成,規(guī)格相同,高10 cm,寬6 cm,厚0.8 cm．在每個(gè)支架的上端,均鉆有一個(gè)直徑1.5 cm的小孔,孔中可安放內(nèi)外徑分別為0.5 cm和1.5 cm的軸承．此外在每個(gè)支架的下端還鉆有4個(gè)直徑0.2 cm的小孔,能和底板橫向槽口上的小孔重合．

長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的線圈由直徑0.4 mm的漆包線依次纏繞制成,線圈兩端各露出一定長(zhǎng)度且刮去外漆的線頭,以便傳導(dǎo)電流．接著將長(zhǎng)60 cm,直徑0.5 cm的金屬桿先橫穿線圈,兩端再分別橫穿通過(guò)支架上端的軸承內(nèi)孔,線圈即可隨金屬桿一起在支架上穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)．

3個(gè)線圈的不同之處在于,線圈Ⅰ繞有約匝30漆包線,只能用于演示通電線圈在磁場(chǎng)中的擺動(dòng)現(xiàn)象;線圈Ⅱ有約100匝漆包線,且在連接線圈的金屬桿上另外設(shè)有一塊直徑5 cm的圓形木塊,其邊緣包裹兩片彼此靠近而又相互絕緣的銅片,兩銅片與圓形木塊之間分別連接一段外露的銅線,以便傳導(dǎo)電流．這種銅片結(jié)構(gòu)將與電刷一起，構(gòu)成換向器,用該線圈可演示直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)的工作原理;線圈Ⅲ有約150匝漆包線,且連接線圈的金屬桿上有兩塊直徑5 cm的圓形木塊,均被長(zhǎng)條形銅片連續(xù)包裹一圈,每個(gè)銅片與圓形木塊之間也分別連接導(dǎo)線,這種銅片與電刷共同構(gòu)成導(dǎo)電結(jié)構(gòu),使該線圈可用于演示交流發(fā)電機(jī)工作原理．

線圈Ⅰ

1.3 電刷結(jié)構(gòu)

電刷由直徑0.1 cm的鋁條和直徑0.5 cm的木棒制成,如圖7所示．由于鋁條具有一定的韌性,可調(diào)節(jié)其彎曲程度,因此將兩根鋁條各自纏繞在兩根木棒上,末端伸出合適的長(zhǎng)度即可．將電刷安裝在底板中間槽口和磁鐵底座之間,兩側(cè)釘釘子固定其位置．演示直流電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)時(shí),將兩邊的鋁條末端伸直,互相靠近,與線圈Ⅱ或線圈Ⅲ上圓形木塊邊緣的銅片緊密貼合,電刷與銅片共同構(gòu)成換向器或?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)．演示通電線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生擺動(dòng)時(shí),只需將兩側(cè)的鋁條向外側(cè)彎曲,與銅片分離,亦不影響通電線圈產(chǎn)生擺動(dòng)現(xiàn)象．

圖7 電刷結(jié)構(gòu)圖

1.4 轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)由底座、木制支架、金屬輪盤(pán)和手柄等部分構(gòu)成,如圖8所示,轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)整體安放在大底板的四根木制圓柱上．其底座由長(zhǎng)40 cm、寬20 cm、厚1 cm的木板制成,底座中間部分挖一個(gè)長(zhǎng)10 cm、寬2 cm的長(zhǎng)方形區(qū)域,能使皮帶通過(guò)該區(qū)域,連接金屬輪盤(pán)與其下方轉(zhuǎn)動(dòng)線圈的金屬桿部分．

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)

金屬輪盤(pán)由直徑35 cm的小自行車輪制成,轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤(pán),可通過(guò)皮帶帶動(dòng)其下方的線圈快速轉(zhuǎn)動(dòng)．金屬輪盤(pán)兩側(cè)的固定支架分別是由一塊長(zhǎng)40 cm,寬7 cm,厚1 cm的橫向木塊和長(zhǎng)10 cm,寬5 cm,厚1 cm的豎直木塊釘在一起制成,在兩塊豎直木塊上端均鉆有直徑1 cm的小孔,能穿過(guò)金屬輪盤(pán)的輪軸．為方便轉(zhuǎn)動(dòng)金屬輪盤(pán),在其側(cè)邊伸出的軸輪上附加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄結(jié)構(gòu),手柄結(jié)構(gòu)由圓木片和細(xì)木棒組成．

2 教具的功能與使用

組合式多功能電機(jī)教具各部分結(jié)構(gòu)之間相對(duì)獨(dú)立,采用不同的結(jié)構(gòu)組合,可以實(shí)現(xiàn)不同的演示功能,以下是具體功能介紹．

本文主要分析在高血壓伴心力衰竭患者中實(shí)施優(yōu)質(zhì)護(hù)理模式的效果，旨在為今后臨床疾病治療提供參考，其詳細(xì)內(nèi)容闡述于正文當(dāng)中。

2.1 演示通電線圈在磁場(chǎng)中的擺動(dòng)現(xiàn)象

將底板、磁鐵、線圈Ⅰ這3個(gè)結(jié)構(gòu)組合起來(lái),如圖9,可演示通電線圈在磁場(chǎng)中的擺動(dòng)現(xiàn)象．

圖9 演示通電線圈在磁場(chǎng)中擺動(dòng)

首先取下轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán),將電刷結(jié)構(gòu)中的兩根鋁條向外側(cè)彎曲．其次,將線圈Ⅰ安裝到教具的底板上．即將其支架部分插入底板上的橫向槽口,并插入金屬條固定,然后將磁鐵安放在其底座的夾層之中．接著連接電源、導(dǎo)線和開(kāi)關(guān),當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),即可觀察到線圈在磁場(chǎng)中的擺動(dòng)現(xiàn)象,并最終停在“平衡位置”．根據(jù)線圈的擺動(dòng)方向可以對(duì)線圈兩側(cè)的邊框進(jìn)行受力分析,進(jìn)而解釋為何線圈不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)．

2.2 演示直流電動(dòng)機(jī)工作原理

將底板、磁鐵、線圈Ⅱ、電刷組裝起來(lái),如圖10所示,可演示直流電動(dòng)機(jī)工作原理．即在上述演示線圈擺動(dòng)的基礎(chǔ)上,將線圈Ⅰ更換為線圈Ⅱ并固定,然后將兩側(cè)電刷向上拉直并相互靠近,使其分別與線圈Ⅱ上木塊邊緣的銅片貼合,接通電源,閉合開(kāi)關(guān),即可觀察到線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)．

圖10 演示直流電動(dòng)機(jī)工作原理

在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電路中的電流大小,以及調(diào)節(jié)兩塊磁鐵間距,都可以觀察到線圈轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,說(shuō)明電流和磁場(chǎng)強(qiáng)弱影響了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速．通過(guò)調(diào)換電源正負(fù)極和磁鐵的兩極,也可以觀察到線圈轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生變化,說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向跟電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)．

2.3 演示直流發(fā)電機(jī)工作原理

采用底板、磁鐵、線圈Ⅱ、電刷、轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的組合方式,如圖11所示,可用于演示直流發(fā)電機(jī)工作原理．即在演示直流電動(dòng)機(jī)工作的基礎(chǔ)上,首先將電源換成兩個(gè)按不同方向接入的發(fā)光二極管,接著組裝轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)．然后通過(guò)皮帶將金屬輪盤(pán)和其下方線圈的金屬桿連接起來(lái),轉(zhuǎn)動(dòng)金屬輪盤(pán)的手柄,即可通過(guò)皮帶帶動(dòng)與金屬桿連接的線圈轉(zhuǎn)動(dòng),使線圈作“切割磁感線”運(yùn)動(dòng),進(jìn)而使二極管發(fā)光．往不同方向旋轉(zhuǎn)手柄,可以觀察到發(fā)光的二極管不一樣,說(shuō)明感應(yīng)電流的方向和線圈“切割磁感線”的方向有關(guān)．

圖11 演示直流發(fā)電機(jī)工作原理

2.4 演示交流發(fā)電機(jī)的工作原理

采用底板、磁鐵、線圈Ⅲ、電刷、轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的組合方式,可用于演示交流發(fā)電機(jī)工作原理．即在演示直流發(fā)電機(jī)工作的基礎(chǔ)上,將線圈Ⅱ更換成線圈Ⅲ并采用同樣的方法固定．然后轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,通過(guò)皮帶帶動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng),讓線圈作“切割”磁感線運(yùn)動(dòng),即可觀察到兩個(gè)二極管交替發(fā)光,說(shuō)明在此過(guò)程中,感應(yīng)電流的方向在不斷變化．

3 自制教具的特點(diǎn)

組合式多功能電機(jī)教具具有以下特點(diǎn).

(1) 以教科書(shū)插圖模型為依托,更加形象直觀.

傳統(tǒng)演示儀器體積小,與教科書(shū)插圖有較大出入．而在直流電動(dòng)機(jī)工作原理這一節(jié)內(nèi)容中,教科書(shū)在給出通電線圈在磁場(chǎng)中的受力分析圖之前,學(xué)生并未學(xué)習(xí)如何判斷通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力方向——左手定則，[5]因此對(duì)直流電動(dòng)機(jī)中線圈邊框的受力分析一直是教學(xué)難點(diǎn)所在．組合式多功能電機(jī)教具體積較大,便于觀察,且與教科書(shū)插圖聯(lián)系緊密,方便教師根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的情況對(duì)線圈邊框進(jìn)行受力分析,突破難點(diǎn)．

(2) 功能齊全,可以開(kāi)展多種實(shí)驗(yàn)演示.

傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)教具,功能單一,只能做一種用途．組合式多功能電機(jī)教具集多種功能于一身．既可以演示無(wú)換向器時(shí)通電線圈在磁場(chǎng)中的擺動(dòng),又可以演示有換向器時(shí)線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),即直流電動(dòng)機(jī)的工作原理．同時(shí)還可以演示直流發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程．這種設(shè)計(jì)方式可以幫助學(xué)生更好的理解、體會(huì)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的區(qū)別與聯(lián)系．

(3) 結(jié)構(gòu)可拆解,具有更強(qiáng)的開(kāi)放性、探究性和啟發(fā)性.

已有關(guān)于電機(jī)教具的結(jié)構(gòu)都比較固定,只能起到演示作用,不具備足夠的開(kāi)放性、探究性和啟發(fā)性．組合式多功能電機(jī)教具各部分在結(jié)構(gòu)上相對(duì)獨(dú)立,便于拆解和組裝．一方面,可以幫助學(xué)生在觀察電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中,清晰地了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其作用,開(kāi)放性強(qiáng);另一方面,可以引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生在原有教具的基礎(chǔ)上進(jìn)一步自主完善其功能．例如,前文圖6中,線圈Ⅱ只有一組線圈,在演示直流電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程時(shí)可能會(huì)遇到扭矩為零的情況,受力穩(wěn)定性較差．可以通過(guò)增加線圈的個(gè)數(shù),將原來(lái)的一組線圈變成兩組或多組線圈,還可以將永磁體更換成電磁鐵,從而實(shí)現(xiàn)更快、更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng),而這種結(jié)構(gòu)就和日常生活中使用的有刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加相似．

(4) 材料易得,方便學(xué)生自主動(dòng)手完成制作.

傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)教具的底板、線圈、磁鐵等結(jié)構(gòu)往往是在工廠中利用特定的儀器工具等進(jìn)行加工制作,師生難以在課下利用身邊常見(jiàn)的工具完成．組合式多功能電機(jī)教具每個(gè)部分的材料,如木板、細(xì)木棒、磁鐵、漆包線、鋁條、膠水、釘子、電鉆、鋸子等工具和原料,都比較簡(jiǎn)單易得,加工制作過(guò)程也無(wú)需特定給復(fù)雜儀器,因此也便于學(xué)生自主動(dòng)手嘗試．電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)本身與生活聯(lián)系緊密,如果可以讓學(xué)生在課下自主動(dòng)手嘗試完成,也能更好地認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)間的緊密聯(lián)系．