許浩 韓沁君 吳明霞

摘?要：通過吸盤式電磁鐵、無源蜂鳴器、發(fā)光二極管、PVC板等器材自制有線電報(bào)機(jī)，可以有效地輔助“電磁鐵”的課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分展現(xiàn)電磁鐵在生產(chǎn)生活中的實(shí)用性.

關(guān)鍵詞：電磁鐵;有線電報(bào)機(jī);自制教具;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）02-0029?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：許浩（1993-），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

韓沁君（1994-），女，四川蒼溪人，碩士，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

吳明霞（1995-），女，四川南充人，碩士研究生，研究方向：大學(xué)課程與教學(xué)研究.

1?制作背景

電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，教學(xué)中常以分組實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行.以教育科學(xué)出版社物理教材為例，“電磁鐵”被編排在第七章第三節(jié)[1]，在內(nèi)容上承接“電流的磁場(chǎng)”.為了進(jìn)一步凸顯物理知識(shí)的實(shí)用性，教材在“家庭實(shí)驗(yàn)室”部分提供了制作簡(jiǎn)易收發(fā)報(bào)機(jī)的活動(dòng)，并呈現(xiàn)了簡(jiǎn)易模型.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若僅按照該模型進(jìn)行制作，難以打出理想的摩斯密碼.查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，已有的有線電報(bào)機(jī)集成度過高，不利于課堂教學(xué)[2].為此，筆者對(duì)教材模型的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)了接收裝置，使其能夠連續(xù)準(zhǔn)確地發(fā)出摩斯密碼，模擬電報(bào)機(jī)的實(shí)際運(yùn)用.

2?儀器原理

有線電報(bào)機(jī)主要由杠桿裝置、打字裝置、混聯(lián)電路三部分組成（如圖1所示）.儀器右側(cè)由鋼鋸條和PVC小塊制成的發(fā)報(bào)裝置，類似于一個(gè)常開型雙擲開關(guān)，該開關(guān)控制著兩條支路的通斷（如圖2所示）.當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電磁鐵電路導(dǎo)通，吸引下方的鐵片，鐵片上升，進(jìn)而帶動(dòng)杠桿另一端的馬克筆下降.由于馬克筆下方鋪有紙帶，當(dāng)紙帶在小馬達(dá)的帶動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，筆尖便可在紙帶上留下墨跡（如圖3所示）.斷開開關(guān)后，電磁鐵失去磁性，鐵片在重力的作用下帶動(dòng)杠桿恢復(fù)原狀，馬克筆脫離紙帶.

通過雙擲開關(guān)同時(shí)控制的還有另一條支路，由發(fā)光二極管、蜂鳴器以及小馬達(dá)串聯(lián)組成（如圖2所示）.在開關(guān)閉合后，二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)聲，這便能模擬出電報(bào)機(jī)發(fā)報(bào)時(shí)的聲光效果.兩條支路同時(shí)導(dǎo)通，各個(gè)電路元件同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了在打出摩斯密碼的同時(shí)，還伴隨著聲光效果，可以很好地模擬電報(bào)機(jī)真實(shí)的收發(fā)報(bào)過程.

3?設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

3.1?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將發(fā)射裝置和接收裝置合二為一，且固定發(fā)射裝置的位置，使其簡(jiǎn)單易用，穩(wěn)定性高.由于接收裝置涉及到的電路元件較多，布線較復(fù)雜.筆者利用PVC板制作矩形箱體，既可隱藏電線提高美觀度，又能作為杠桿裝置的支撐結(jié)構(gòu).為了保證良好的可視性，以合頁將箱體蓋板設(shè)計(jì)成能自由開合的形式.除此，筆者還綜合考慮電磁鐵的安裝位置、電磁鐵的磁性強(qiáng)弱、電磁鐵與鐵片的距離、鐵片與馬克筆構(gòu)成的杠桿裝置的力矩等問題，確保每次實(shí)驗(yàn)都能成功打出摩斯密碼.

3.2?電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)打出摩斯密碼的同時(shí)發(fā)出聲光信號(hào)，更真實(shí)地模擬出收發(fā)報(bào)過程.在設(shè)計(jì)電路時(shí)，筆者采用雙擲開關(guān)同時(shí)控制兩條支路的通斷.經(jīng)反復(fù)測(cè)試，9V的電壓下電磁鐵的磁性仍能滿足需求，因此只需要6節(jié)1.5V干電池串聯(lián)便可作為整個(gè)電路的電源，實(shí)驗(yàn)成本低廉也方便更換電池.根據(jù)器材的產(chǎn)品說明，蜂鳴器、發(fā)光二極管和小馬達(dá)所需的工作電壓均小于9V，且小馬達(dá)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨電壓的降低而減慢，正好符合馬達(dá)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)紙帶緩慢移動(dòng)的設(shè)計(jì)要求.所以，可將這三個(gè)元件串聯(lián)在同一條支路，電磁鐵單獨(dú)一條支路，確保所有元件的實(shí)際電壓都在各自規(guī)定的電壓范圍內(nèi).

4?制作方法

4.1?發(fā)射裝置

發(fā)射裝置是一個(gè)簡(jiǎn)單的常開型控制開關(guān).截取兩段長(zhǎng)約7cm帶孔的廢舊鋼鋸條，用砂紙將涂層或銹跡打磨干凈，用羊角錘將帶孔一端約1cm長(zhǎng)度的鋸條錘成30°角斜度.

用鋼鋸鋸一塊長(zhǎng)寬約為5cm×1.5cm的PVC小板，打磨光滑，使用熱熔膠將其粘在鋸條凹面長(zhǎng)邊上.截取一塊60cm×20cm的PVC板作為整個(gè)電報(bào)機(jī)的底板，將粘好PVC小板的鋸條用螺絲固定在底板的右側(cè).鋸條前端下方也需擰兩顆螺絲作為接線柱，當(dāng)鋸條按下時(shí)能與下方螺絲冒接觸良好（如圖4所示）.

4.2?接收裝置

接收裝置最核心的結(jié)構(gòu)是電磁鐵和杠桿裝置.為了方便安裝，可以按照如下步驟先制作這一部分所需的各個(gè)零件，再進(jìn)行組裝與調(diào)試.

4.2.1?箱體的制作與安裝

準(zhǔn)備四塊PVC板，長(zhǎng)寬厚分別為：左板19cm×20cm×1cm，右板19cm×20cm×1cm，前板22cm×20cm×1cm，蓋板22cm×19cm×1cm.取左板，在板的中下區(qū)域用鉆孔機(jī)鉆兩個(gè)直徑分別為1cm和0.5cm的小孔，安裝蜂鳴器和發(fā)光二極管.取右板，在板的中下區(qū)域距下邊約6cm處鉆一個(gè)直徑為3cm的圓孔.將四塊板按預(yù)先的設(shè)計(jì)拼裝成矩形箱體，并用螺絲固定.為了方便展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，蓋板與前板采用合頁連接（如圖5所示）.

4.2.2?杠桿結(jié)構(gòu)的制作與安裝

將長(zhǎng)寬約為15cm×5cm的鐵皮（可以使用廢舊的八寶粥罐），用羊角錘錘成圓筒狀，套在長(zhǎng)約17cm直徑為1cm的PVC管的一端.在PVC管的另一端用美工刀進(jìn)行適當(dāng)切削，套上螺紋夾，固定馬克筆（如圖6所示）.根據(jù)杠桿的平衡條件，選取合適的位置用鉆孔機(jī)鉆一個(gè)直徑為2mm的小孔并在小孔中插一根去頭的鋼釘作為支點(diǎn).再將杠桿結(jié)構(gòu)穿過箱體右側(cè)的圓孔，把鋼釘固定在圓孔內(nèi).杠桿結(jié)構(gòu)安裝效果如圖7序號(hào)③④⑥⑦所示.

4.2.3?電路連接

按照設(shè)計(jì)的電路圖將電磁鐵、蜂鳴器、發(fā)光二極管、小馬達(dá)等元件接入電路.將蜂鳴器和發(fā)光二極管嵌入左側(cè)板上的小孔中，并用熱熔膠固定. 接通電路，多次測(cè)試電磁鐵與鐵片的距離，確保每一次通電都能夠成功吸起鐵片，并帶動(dòng)杠桿裝置另一側(cè)的馬克筆能在紙帶上留下清晰的墨跡，最終固定電磁鐵的位置.固定電磁鐵的方式不唯一，較簡(jiǎn)單的是用一塊合適的PVC塊做支撐，用熱熔膠固定（如圖9所示）.

4.2.4?安裝紙帶和小馬達(dá)

紙帶和小馬達(dá)分別安裝在馬克筆的兩邊（如圖8序號(hào)③⑥所示）.為了增加摩擦力，將小玩具車輪胎固定在馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸上，反復(fù)調(diào)節(jié)小馬達(dá)與底板之間的距離，直到每次小馬達(dá)都能準(zhǔn)確控制紙帶的移動(dòng)速度為止（如圖10所示）.

至此，接收裝置的制作基本完成，其中電磁鐵、杠桿裝置和小馬達(dá)部分需要多次試驗(yàn)、多次調(diào)節(jié)，以保證其穩(wěn)定性.

5?結(jié)束語

自制有線電報(bào)機(jī)能模擬電報(bào)機(jī)的工作原理，展示真實(shí)的收、發(fā)報(bào)過程，具有很強(qiáng)的趣味性.它既可用于多個(gè)課題的常規(guī)教學(xué)，也可作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容.在學(xué)習(xí)電磁鐵時(shí)，可以通過演示發(fā)報(bào)過程來引入課題，也可由此來講解電磁鐵的工作特點(diǎn).在學(xué)習(xí)串并聯(lián)電路時(shí)，還可以讓學(xué)生探究電報(bào)機(jī)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力.

教材是教育理念的承載體，是教育目標(biāo)的連接體，是最重要的教學(xué)資源，對(duì)教材的認(rèn)識(shí)不能僅停留在知識(shí)內(nèi)容層面[3].教材上的每一句話、每一幅圖都是編寫者的精心設(shè)計(jì).自制有線電報(bào)機(jī)的靈感來源于教材，是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步優(yōu)化.如何將自制有線發(fā)報(bào)機(jī)應(yīng)用于課堂教學(xué)，使其發(fā)揮最大化的教學(xué)功能，則還需回歸教材，針對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)有效的教學(xué)活動(dòng).

參考文獻(xiàn)：

[1]吳祖仁.義務(wù)教育教科書物理（九年級(jí)上冊(cè)）[M].北京：教育科學(xué)出版社，2013：118.

[2]倪祥軍.簡(jiǎn)易有線電報(bào)機(jī)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2005（X2）：35.

[3]張廷凱.走向新的教材觀[J].人民教育，2002（04）：46-48.

（收稿日期：2019-09-12）