李 會(huì) 高 軍

(曲靖師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,云南 曲靖 655011)

子曰:知之者不如好之者,好之者不如樂之者．在教育上,為師者要看學(xué)生樂于哪一方面,就在哪方面培養(yǎng)他,這才是師道的原則．物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),也是一門極富洞察力和想象力的科學(xué)．新穎、理性的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)苄蜗笊鷦?dòng)地展現(xiàn)自然現(xiàn)象背后的本質(zhì)、規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系,是培養(yǎng)學(xué)生樂學(xué)的重要載體．當(dāng)今時(shí)代的日新月異,學(xué)生身處其中,體驗(yàn)感也正發(fā)生著微妙的變化．為此,筆者借助智能手機(jī)軟件對(duì)人教版初中物理教科書“電生磁”一節(jié)的電生磁實(shí)驗(yàn)教具[1-3]進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作,經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)本教具能較好地體現(xiàn)“知之者不如好之者,好之者不如樂之者”的原則,對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及開展探究式教學(xué)皆有較好的啟發(fā)意義．

1 問(wèn)題的提出

教材設(shè)計(jì)了通電直導(dǎo)線和螺旋管的電生磁實(shí)驗(yàn)．通電直導(dǎo)線電生磁實(shí)驗(yàn)如圖1所示．通電螺旋管的電生磁實(shí)驗(yàn)如圖2所示．通電直導(dǎo)線電生磁實(shí)驗(yàn)是基于著名的奧斯特實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,結(jié)論易得,符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律,但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不容易被大多數(shù)學(xué)生明顯觀察到,實(shí)驗(yàn)演示效果不佳．通過(guò)鐵屑來(lái)研究通電螺旋管的磁場(chǎng)來(lái)間接演示了電生磁,此實(shí)驗(yàn)操作受空間和儀器本身約束較大,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象需近距離觀察或者投影放大,因此在課堂上演示實(shí)驗(yàn)的觀察效果與教學(xué)效果均不理想．教材從“電流的磁效應(yīng)”過(guò)渡到“通電螺旋管的磁場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)”,是通過(guò)提出問(wèn)題“為什么手電筒在通電時(shí)連一根大頭針都吸不動(dòng)?”來(lái)過(guò)渡的,然而學(xué)生實(shí)際生活中對(duì)手電筒了解不多,缺乏充分的認(rèn)知基礎(chǔ),對(duì)手電筒在通電時(shí)吸不吸得動(dòng)一根大頭針也缺少實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)的過(guò)程．為彌補(bǔ)上述不足,筆者設(shè)計(jì)并制作了一套利用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制的電生磁實(shí)驗(yàn)教具,該實(shí)驗(yàn)教具融入了“數(shù)字化、生活化、趣味化”元素,在開展科學(xué)探究的學(xué)習(xí)體驗(yàn)過(guò)程中,能更好地激發(fā)學(xué)生深度的科學(xué)探究欲望,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果．

圖1 通電直導(dǎo)線的電生磁實(shí)驗(yàn)

圖2 螺旋管的電生磁實(shí)驗(yàn)

2 教具的設(shè)計(jì)特色

本實(shí)驗(yàn)需要220 V的交流電作為電容的充電電源,考慮到教具的安全性,該實(shí)驗(yàn)教具在設(shè)計(jì)時(shí)采用使用智能手機(jī)與89SC51單片機(jī)串接的藍(lán)牙模塊配對(duì)連接,從而實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)教具的遠(yuǎn)程無(wú)線操控，教具設(shè)計(jì)流程如圖3所示．

圖3 教具設(shè)計(jì)流程

用智能手機(jī)從百度上下載并安裝一款名為“藍(lán)牙小車”的手機(jī)APP軟件,軟件如圖4所示．先將編好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中,接著打開手機(jī)里的“藍(lán)牙小車” 軟件,軟件操控界面如圖5所示．點(diǎn)擊“搜尋設(shè)備”,找到單片機(jī)連接好的藍(lán)牙模塊,并完成配對(duì)連接．最后便可以利用智能手機(jī)上安裝的“藍(lán)牙小車”APP軟件對(duì)繼電器等實(shí)驗(yàn)教具各個(gè)元件進(jìn)行控制．具體操作如下.

當(dāng)點(diǎn)擊“藍(lán)牙小車”的“←”鍵時(shí),軟件會(huì)向單片機(jī)發(fā)送“0x01”的指令代碼,使得舵機(jī)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過(guò)15°,完成舵機(jī)的順時(shí)針轉(zhuǎn)向．當(dāng)點(diǎn)擊“→”鍵時(shí),軟件會(huì)向單片機(jī)發(fā)送“0x03”的指令代碼,使得舵機(jī)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過(guò)15°．當(dāng)點(diǎn)擊中心鍵時(shí),繼電器1接通,開始對(duì)電容進(jìn)行充電．當(dāng)點(diǎn)擊“↓”鍵時(shí),軟件會(huì)向單片機(jī)發(fā)送“0x02”的指令代碼,繼電器1斷開,電容完成充電．當(dāng)點(diǎn)擊“↑”鍵時(shí),軟件會(huì)向單片機(jī)發(fā)送“0x04”的指令代碼,繼電器2接通的瞬間又快速斷開,就這樣完成了智能手機(jī)遠(yuǎn)程無(wú)線操控實(shí)驗(yàn)教具的獨(dú)特設(shè)計(jì)．

圖4 “藍(lán)牙小車”軟件圖5 軟件操控界面

3 教具的制作

3.1 材料準(zhǔn)備

藍(lán)牙小車APP軟件;漆包銅絲(直徑1 mm,長(zhǎng)度7-8 m);塑料管(直徑4 mm,長(zhǎng)度14 cm);502強(qiáng)力膠1支;杜邦線數(shù)根;Futaba s3010舵機(jī)1個(gè);電容3個(gè)(450 V,220 μF);KBJ 2510扁型整流橋堆1塊(25 A,1000 V);SRD-05VDC-SL-C小型五腳功率繼電器2個(gè);STC89C51單片機(jī)1片;JY-MCU HC-06藍(lán)牙透?jìng)髂K1片;電阻1個(gè)(100 Ω);鐵釘(直徑2 mm,長(zhǎng)度25 mm);電線數(shù)米;長(zhǎng)木板(長(zhǎng)40 cm,寬8 cm)．

3.2 制作要點(diǎn)

(1) 整流橋堆的連接.

將一根帶有插頭的兩孔電源插座線的一端剪開,把里面的兩根導(dǎo)線拉出,用剝線鉗分別把兩根導(dǎo)線的絕緣塑料層剝掉使其露出0.5 cm的銅線,將兩段長(zhǎng)為1.5 cm的熱縮套管分別套在兩根導(dǎo)線上,最后將剝好的銅線用焊錫焊接到KBJ2510扁型整流橋堆(下文簡(jiǎn)稱整流橋堆)的兩個(gè)交流接線柱上,焊接好后將事先套好的熱縮套管移到焊接部位,再用熱風(fēng)槍對(duì)熱縮套管進(jìn)行熱處理,使其收縮固定在焊接部位,做好絕緣保護(hù)工作．

(2) 電容串聯(lián).

取兩段長(zhǎng)1.5 cm的導(dǎo)線,分別將兩段用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣層,然后用這兩段導(dǎo)線將3個(gè)電容的“-”極焊接在一起;取另外兩段長(zhǎng)1.5 cm的導(dǎo)線,同樣將兩段用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣層,然后焊接到這3個(gè)電容的“+”極上．

(3) 整流橋堆和負(fù)載的焊接.

從整流橋堆的“-”極接線柱焊接1根導(dǎo)線,在焊接的位置用熱縮套管套上并用熱風(fēng)槍進(jìn)行熱處理,導(dǎo)線的另一端用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣塑料,將其焊接到3個(gè)串聯(lián)電容A端的“-”極上,從整流橋堆的“+”極焊接1根導(dǎo)線在焊接的位置用熱縮套管套上并用熱風(fēng)槍進(jìn)行熱處理,導(dǎo)線的另一端用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣塑料,在該導(dǎo)線上套上一段2 cm的熱縮套管,之后將導(dǎo)線與電阻(100 Ω)的接線柱焊接起來(lái),再把熱縮套管移動(dòng)到焊接的位置,用熱風(fēng)槍對(duì)套管進(jìn)行熱處理．

(4) 繼電器的焊接.

取1根導(dǎo)線,將它的一端與電阻(100 Ω)的一端焊接在一起,并用熱縮套管套在焊接的位置,并做熱處理;導(dǎo)線的另一端用剝線鉗剝出0.5 cm 的導(dǎo)線,將其接到繼電器1的“公共端”;再取1根導(dǎo)線分別將兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,一端接在繼電器1的“常開端”,另一端接在電容A端的“+”極上;通過(guò)控制繼電器1的通斷來(lái)控制整流橋堆與電容“+”極的通斷,從而實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)無(wú)線控制電容的充放電．

再取1根導(dǎo)線,將它的兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,導(dǎo)線的一端焊接到電容B端的“-”極,另一端焊接到線圈的一個(gè)接線柱上;再把另一根導(dǎo)線兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,一端焊接到電容B端的“+”極再將導(dǎo)線的另一端連接到繼電器2的“公共端”,取1根導(dǎo)線兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,一端接入繼電器2的“常開端”用于控制電容對(duì)線圈的放斷電,再將導(dǎo)線的另一端焊接到線圈的另一端．

(5) 線圈的制作.

取1根塑料管(直徑4 mm,長(zhǎng)度14 cm),將漆包銅絲緊密地纏繞在塑料管上,在纏繞之前留出3 cm的銅絲用做接線柱,并將作為接線柱的銅絲用砂紙將漆打磨掉,大約12匝為一層,共7層左右,每繞完一層用502膠水將其固定防止實(shí)驗(yàn)時(shí)線圈脫落,纏繞完后,留出3 cm的銅絲用做接線柱并用砂紙將漆打磨掉．

(6) 實(shí)驗(yàn)教具的組裝.

將繞好的銅線圈用透明膠帶固定在舵機(jī)的支架上,防止舵機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,線圈松動(dòng)或脫落,再將舵機(jī)固定在長(zhǎng)木板一側(cè)上,將電容、繼電器、單片機(jī)、藍(lán)牙模塊和電阻用熱軟膠固定在長(zhǎng)木板上,完成電生磁實(shí)驗(yàn)教具的制作,教具如圖6、圖7所示．

圖6 電生磁實(shí)驗(yàn)教具實(shí)物圖(側(cè)視)

圖7 電生磁實(shí)驗(yàn)教具實(shí)物圖(俯視)

4 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)電流的磁效應(yīng),瞬變電流通過(guò)電線圈可以產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng)．當(dāng)交流電通過(guò)整流橋堆整流得直流電時(shí),用智能手機(jī)上的“藍(lán)牙小車”軟件給單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令從而控制繼電器1的通斷給電容充電,電容充電完成后再使用“藍(lán)牙小車”智能手機(jī)軟件向單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令來(lái)控制繼電器停止電容充電;之后用智能手機(jī)上的“藍(lán)牙小車”軟件發(fā)送相應(yīng)的指令控制繼電器2對(duì)繞在塑料管外的線圈進(jìn)行瞬時(shí)放電,這時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬態(tài)磁場(chǎng),相當(dāng)于通電螺線管,就相當(dāng)于一個(gè)條形磁鐵．它產(chǎn)生的瞬時(shí)磁場(chǎng)可以使鐵釘磁化,磁化后鐵釘?shù)拇艠O方向與通電螺線管的磁極方向相反,所以鐵釘放入螺線管的位置決定鐵釘?shù)娘w行方向．

如圖8甲所示,當(dāng)鐵釘沒有完全放入螺線管時(shí),露在通電螺線管外部的一端會(huì)被磁化為與通電螺線管尾部相反的異性磁極,處在通電螺線管內(nèi)部的鐵釘會(huì)被磁化為與通電螺線管頭部相反的異性磁極,因?yàn)橄嗤艠O相互排斥,不同磁極相互吸引的緣故,鐵釘就會(huì)被吸進(jìn)螺線管中去,同時(shí)螺線管斷電失去磁性,鐵釘由于慣性會(huì)繼續(xù)保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以一定的速度向螺線管的頭部方向發(fā)射出去．

如圖8乙所示,當(dāng)鐵釘完全放入螺線管,靠近螺線管尾部的一端會(huì)被磁化為與螺線管尾部相反的磁極,而靠近螺線管的頭部的一端則被磁化為與頭部相反的磁極,由于異性磁極相互吸引的緣故,鐵釘將會(huì)向尾部方向運(yùn)動(dòng),由于慣性,鐵釘會(huì)繼續(xù)保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以一定的速度向螺線管尾部方向發(fā)射出去．

圖8 鐵釘發(fā)射原理示意圖

5 實(shí)驗(yàn)演示及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

打開智能手機(jī)“藍(lán)牙小車”APP軟件,如圖6所示,點(diǎn)擊“↑”鍵,發(fā)射鐵釘．觀察到鐵釘將距離“槍口”6～7 m遠(yuǎn)的“靶”氣球打爆;將“靶子”換成1 mm厚的硬紙板,重復(fù)上述操作,觀察到硬紙板被打穿．教師提出“為什么鐵釘具有這樣的威力?”問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生分組討論“鐵釘具有強(qiáng)穿透力的原因”,分析歸納出“電流具有磁效應(yīng),且可以被觀察到”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論．

6 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)教具是利用智能手機(jī)、生活中的易得材料開發(fā)出來(lái)的,教具采用智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制,操作簡(jiǎn)單、安全且實(shí)驗(yàn)效果好．此外,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)需要經(jīng)歷一定的分析才能得到,使得本教具在教師開展科學(xué)探究時(shí)能發(fā)揮更大的價(jià)值．

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