朱向陽

(江西省信豐中學(xué)，江西　信豐　341600)

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通電平行直導(dǎo)線相互作用演示裝置①

朱向陽

(江西省信豐中學(xué)，江西信豐341600)

①本文為江西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度重點(diǎn)課題“不同學(xué)習(xí)方式對職前科學(xué)教師探究教學(xué)能力培養(yǎng)的影響研究”(課題編號：15ZD3LYB003)的階段成果之一.

名師簡介：朱向陽，江西省特級教師，江西省信豐中學(xué)首席教師，江西省物理學(xué)會第十屆理事會理事，享受贛州市政府特殊津貼專家.在國家和省級刊物上發(fā)表論文80多篇.研究方向?yàn)橹袑W(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn).

摘要：在直導(dǎo)線兩端各焊接1根柔軟導(dǎo)線，并讓2根直導(dǎo)線在豎直板面上平行地吊掛起來，設(shè)計(jì)、制作成“同向電流相互吸引、異向電流相互排斥”的演示裝置.

關(guān)鍵詞：電流間相互作用；直導(dǎo)線；演示實(shí)驗(yàn)

在高中物理教學(xué)中，通電平行直導(dǎo)線相互作用演示實(shí)驗(yàn)是較難做的實(shí)驗(yàn)，為了提高演示效果，很多老師對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)[1～7].與“點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)軸式‘電流間相互作用’演示裝置”相類似的“旋轉(zhuǎn)式平行直導(dǎo)線型”(J2447，D-PX-Y-A)儀器，是現(xiàn)在比較成熟和效果較好的產(chǎn)品[8].但在使用中有老師發(fā)現(xiàn)該類儀器存在“同向電流相吸效果不明顯”的問題[9]，我們在使用中發(fā)現(xiàn)該類儀器最大的問題是經(jīng)常出現(xiàn)通電時一根弓形導(dǎo)線轉(zhuǎn)動而另一根弓形導(dǎo)線靜止不動的現(xiàn)象.究其原因是觸點(diǎn)處大電流火花放電而被氧化并形成細(xì)小的顆粒物，使兩根弓形導(dǎo)線點(diǎn)接觸的摩擦力大小不同，結(jié)果導(dǎo)致兩根弓形導(dǎo)線一動一靜的現(xiàn)象.筆者采用在直導(dǎo)線兩端焊接柔軟導(dǎo)線的方法，設(shè)計(jì)、制作成“通電平行直導(dǎo)線相互作用演示裝置”，避免了火花放電產(chǎn)生的問題，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也更加貼合教材內(nèi)容.

1裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在圓盤底座的中央直立固定1根PVC線槽板作支架兼背景板.直導(dǎo)線兩端各焊接1根柔軟導(dǎo)線，各柔軟導(dǎo)線的另一頭分別固定在板面上、下端的4顆螺絲上，使2根直導(dǎo)線在豎直板面上平行地吊掛起來.板面上端2顆螺絲通過1塊銅片與1根較粗的銅質(zhì)單芯導(dǎo)線相連接，板面下端2顆螺絲之間通過1根一頭帶鱷魚夾的膠皮導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)連接或斷開.2根直導(dǎo)線的中部與1根水平放置的阻力桿(輕質(zhì)吸管)接觸.

圖1　演示裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2制作材料

長80cm、寬10cm的PVC線槽板1根(電工敷設(shè)線路用材)，長約250mm、直徑約1.8mm的銅導(dǎo)線2根，長約30mm、直徑約4mm的螺絲4顆，臺式電腦的鍵盤輸出線1根，圓盤底板1塊，初中或高中教學(xué)電源(或6V蓄電池)1個，銅片、吸管等.

3制作方法

(1) 直導(dǎo)線的制作

取2根長約25cm、直徑約1.8mm的銅導(dǎo)線作直導(dǎo)線，在直導(dǎo)線的兩端各焊接1根長約20cm的柔軟導(dǎo)線，各柔軟導(dǎo)線的另一頭焊接在1個用銅導(dǎo)線制成的扁形夾上.經(jīng)多次試驗(yàn)，柔軟導(dǎo)線選用臺式電腦鍵盤輸出線的芯線比較合適.芯線的取法：用美工刀小心地將鍵盤輸出線的外層膠皮分段破開，并逐段去除破開的膠皮(注意不要劃傷里面的芯線，也不要使芯線扭轉(zhuǎn)變形).去除外層膠皮后可見有4根不同顏色(黃色、綠色、藍(lán)色、白色)的細(xì)軟多芯膠皮導(dǎo)線，為了便于實(shí)驗(yàn)觀察，把其中1根深色的膠皮導(dǎo)線剪成4段(每段長約20cm)作柔軟導(dǎo)線(無需剝?nèi)?dǎo)線的外層膠皮).

(2) 連接導(dǎo)線的制作

取1塊長約6cm、寬約1cm的銅片，用電鉆在銅片的右端開2個螺絲孔，兩孔的中心間距約2cm，銅片左端焊接(或用螺絲固定)1根長約60cm、直徑約1.8mm的銅質(zhì)單芯導(dǎo)線，如圖1中的“單芯導(dǎo)線”.再用1根較粗的多芯膠皮導(dǎo)線作圖1中的“膠皮導(dǎo)線”，導(dǎo)線的一頭焊接1塊銅質(zhì)墊片，另一頭焊接1只鱷魚夾.

(3) 支架板的制作

取1根長約80cm、寬約10cm的白色PVC線槽板作支架兼背景板，白色板面與板面上的深色導(dǎo)線對比分明，利于觀察導(dǎo)線的狀態(tài).在板面的上端和下端相距70cm處各開2個螺絲孔，兩孔的中心間距約2cm.用1個直徑約20cm的圓盤作底座，底座中央用螺絲直立固定1塊長約9.5cm、寬約為2cm和高約為8cm的木板，用于固定支架板.

(4) 演示裝置的組裝

用長約30mm、直徑約4mm的2顆螺絲把帶單芯導(dǎo)線的銅片固定在支架板的上端，再把2根直導(dǎo)線上與柔軟導(dǎo)線相連接的扁形夾分別夾在這2顆螺絲上，并用墊片和螺母緊固，如圖2所示.

圖2　演示裝置上端結(jié)構(gòu)圖

把長約30mm、直徑約4mm的2顆螺絲分別固定在支架板下端的螺絲孔上，并把焊接在膠皮導(dǎo)線上的銅質(zhì)墊片固定在左邊的螺絲上(膠皮導(dǎo)線另一頭的鱷魚夾在實(shí)驗(yàn)過程中可與右邊的螺絲連接)，再把2根直導(dǎo)線下端與柔軟導(dǎo)線相連接的扁形夾分別夾在這2顆螺絲上，并用墊片和螺母緊固(如圖3).

圖3　演示裝置下端結(jié)構(gòu)圖

把支架板的下端套在圓盤底座的木板上，使支架板直立在底座中央，并用螺釘把支架板的背面固定在木板上.用手指把直導(dǎo)線下方的柔軟導(dǎo)線彎曲成倒立的“7”字形(如圖3中“柔軟導(dǎo)線”的形狀)，用其代替教材圖示中的柔軟彈簧[10].適當(dāng)調(diào)整各扁形夾的位置，使2根直導(dǎo)線相距1.5至2cm范圍內(nèi)，并在豎直方向上相互平行.為了防止2根直導(dǎo)線在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)晃動不停的現(xiàn)象，可用1根8號鐵線彎折成半線框，把半線框卡在支架板中部，再在半線框上放置1根輕質(zhì)吸管作直導(dǎo)線的阻力桿(如圖4).實(shí)驗(yàn)時適當(dāng)調(diào)整半線框的傾斜度，使2根直導(dǎo)線輕微觸壓在阻力桿上，便能有效地阻礙直導(dǎo)線的晃動.

圖4　演示裝置中部結(jié)構(gòu)圖

用“教學(xué)電源”(實(shí)驗(yàn)室的高中或初中教學(xué)電源均可)的大電流檔(或1個6V蓄電池)作電源，

4實(shí)驗(yàn)方法

把裝置下端“膠皮導(dǎo)線”上的鱷魚夾夾在右邊的螺絲上(如圖3)，然后用2根帶鱷魚夾的導(dǎo)線分別與裝置中的“單芯導(dǎo)線”和裝置下端左邊的螺絲相連接，2根導(dǎo)線另一頭的鱷魚夾分別與電源的正負(fù)極連接，2根“直導(dǎo)線”便并聯(lián)在電路中.接通電源，可看到通有同向電流的2根“直導(dǎo)線”在阻力桿上相向滑動而靠在一起；斷開電源，2根“直導(dǎo)線”在阻力桿上背向滑動又恢復(fù)到原來的位置.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：同向電流相互吸引.

斷開裝置下端右邊螺絲上的鱷魚夾，再把與“單芯導(dǎo)線”連接的鱷魚夾改夾在此螺絲上，2根“直導(dǎo)線”便串聯(lián)在電路中.接通電源，可看到通有異向電流的2根“直導(dǎo)線”在阻力桿上背向滑動而遠(yuǎn)離開來(各自滑動約1cm)；斷開電源，2根“直導(dǎo)線”在阻力桿上相向滑動又恢復(fù)到原來的位置.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：異向電流相互排斥.

每次通電時間不要超過3s,防止因通電時間過長，導(dǎo)致柔軟導(dǎo)線發(fā)熱使膠皮燒焦.但斷電冷卻幾秒鐘后，又可再次通電實(shí)驗(yàn).

5結(jié)束語

用臺式電腦鍵盤輸出線的芯線作柔軟導(dǎo)線，并以倒立的“7”字形導(dǎo)線代替教材圖示中的柔軟彈簧，是成功演示“同向電流相互吸引、異向電流相互排斥”現(xiàn)象的關(guān)鍵所在.演示裝置一方面利用柔軟導(dǎo)線在通電時發(fā)熱致線芯和膠皮變軟的特性，使其在2根直導(dǎo)線相互作用力較小的情況下，也能跟隨直導(dǎo)線的滑動而發(fā)生形變；另一方面利用柔軟導(dǎo)線斷電冷卻時線芯和膠皮變硬的特性，使其在自身彈力的作用下把2根直導(dǎo)線拉回到原來的位置.所以，演示裝置的設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也更加貼合教材內(nèi)容.

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