王理想 郭淑勤

(1. 新疆師范大學(xué)附屬中學(xué)，新疆 烏魯木齊 830054； 2. 烏魯木齊第六十八中學(xué)，新疆 烏魯木齊 830011)

直流、交流兩類簡易電動機(jī)制作取材簡便，制作簡易，原理明晰.課堂上自制簡易電動機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)軒Ыo學(xué)生更多的體驗(yàn)、新鮮感、成功感，激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力、合作意識.物理課堂生活化是提升中學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要實(shí)踐路徑，讓學(xué)生充分體驗(yàn)生活中的“低成本”物理實(shí)驗(yàn)帶來的“大智慧”.通過教學(xué)實(shí)踐，科學(xué)合理選擇材料，利用課堂時間學(xué)生可分組完成電動機(jī)的制作，成功率高，課堂教學(xué)效果使學(xué)生收益最大化.學(xué)生建立了物理觀念，形成了科學(xué)的物理思維，能靈活運(yùn)用物理知識來解決生活中的實(shí)際問題.

1 簡易直流電動機(jī)制作

1.1 工作原理

圖1

簡易直流電動機(jī)的原理是磁場對通電導(dǎo)體的作用力使得電動機(jī)上的線圈繞軸轉(zhuǎn)動.如圖1方形線框上下兩條邊導(dǎo)線中的電流相反，置于磁場中，兩邊受力方向相反形成力矩，使得線框轉(zhuǎn)動.簡易直流電動機(jī)線圈轉(zhuǎn)動的方法1：電流周期性換向法(換向器)，當(dāng)ab、dc邊從圖1位置轉(zhuǎn)至水平，電流換向，之后ab受力向右、dc邊受力向左，線框持續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動；方法2是半周通電法：當(dāng)ab、dc邊從圖1位置轉(zhuǎn)至水平，斷電，靠慣性甩過180°后再通電，線框持續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動.

1.2 制作材料

泡沫板1塊、曲別針2個，干電池1節(jié)；鱷魚夾導(dǎo)線2根；85 cm左右0.63 mm漆包線1條；小刀1把；磁鐵1條.

1.3 制作步驟

(1) 漆包線繞干電池纏繞4或5圈(如圖2)，制成大約6 cm×3.2 cm左右的矩形線圈，在線圈的兩端各伸出約3 cm左右的引線.用小刀刮去兩端引線的漆皮，一側(cè)端全部刮掉，另一側(cè)端刮去半周即可.

(2) 曲別針拉直其中一部分制成支架，插在泡沫板上，線圈放在支架上，用鱷魚夾夾住曲別針低部與電池連接好串聯(lián)電路(如圖3).

圖2

圖3

圖4

(3) 手持條形磁鐵放在線圈的上方或周圍合適的方位，閉合開關(guān)，輕推一下線圈，線圈就會繞軸轉(zhuǎn)動起來.(如圖4).

制作簡易直流電動機(jī)的過程中，出現(xiàn)問題的有：刮漆面不徹底導(dǎo)致接觸不良；兩側(cè)漆面刮漆沒有實(shí)現(xiàn)半周通電法；操作中開始位置通電線圈受力位置與線圈處于同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)不起來等問題.學(xué)生自制簡易直流電動機(jī)成功率較高.

1.4 高考試題中的直流電電機(jī)模型

圖5

例1.(2017年全國Ⅱ卷理綜第21題)某同學(xué)自制的簡易電動機(jī)示意圖如圖5所示．矩形線圈由一根漆包線繞制而成，漆包線的兩端分別從線圈的一組對邊的中間位置引出，并作為線圈的轉(zhuǎn)軸．將線圈架在兩個金屬支架之間，線圈平面位于豎直面內(nèi)，永磁鐵置于線圈下方．為了使電池與兩金屬支架連接后線圈能連續(xù)轉(zhuǎn)動起來，該同學(xué)應(yīng)將

(A) 左、右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆都刮掉.

(B) 左、右轉(zhuǎn)軸上下兩側(cè)的絕緣漆都刮掉.

(C) 左轉(zhuǎn)軸上側(cè)的絕緣漆刮掉，右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆刮掉.

(D) 左轉(zhuǎn)軸上下兩側(cè)的絕緣漆都刮掉，右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆刮掉.

2 簡易交流異步電動機(jī)制作

2.1 工作原理

簡易交流異步電動機(jī)利用電磁驅(qū)動原理.異步電動機(jī)工作時，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間存在相對運(yùn)動時，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象使的轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電能、磁場能、機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動.由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相對旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速滯后，所以稱它為異步電動機(jī).

簡易交流異步電動機(jī)主要由兩個自制線圈和電容器構(gòu)成.通過電容移相作用，將單相交流電分離出另一相，相位差90°的兩相交流電.兩相交流電分別流入兩個成近90°的線圈中，就在空間內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的磁場，旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子(鐵絲陀螺)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流).由楞次定律知感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與旋轉(zhuǎn)磁場方向是相反的，由此轉(zhuǎn)子(鐵絲陀螺)被旋轉(zhuǎn)磁場推拉進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài).

2.2 制作材料

兩條0.63 mm漆包線；每條長約15 m；光碟1個；螺栓螺母各2個；螺栓長約6 cm；膠槍；學(xué)生電源；自制直徑約5 cm鐵絲陀螺1個；430 μF電容1個.

2.3 制作步驟

(1) 漆包線纏繞在螺母上制作兩個線圈，圈數(shù)要多足以產(chǎn)生較大的磁力，按圖6連接好電路.

(2) 鐵絲陀螺放在光盤的中心的圓孔內(nèi)，利用光盤中心的圓孔，阻擋鐵絲陀螺轉(zhuǎn)動過程中因受力不均衡被線圈吸附.通電調(diào)試，調(diào)整好線圈角度及位置，鐵絲陀螺轉(zhuǎn)動起來，此時用膠槍把線圈粘在光盤上，如圖7所示.

圖6

圖7

在實(shí)際制作過程中，出現(xiàn)問題有線圈圈數(shù)不足導(dǎo)致短路;交流電壓低導(dǎo)致磁力不夠強(qiáng)帶不動鐵絲陀螺；電容器容量與自制線圈不匹配導(dǎo)致兩個線圈的磁力差距太大導(dǎo)致鐵絲陀螺轉(zhuǎn)動不了或轉(zhuǎn)速慢等問題.加大線圈圈數(shù)或調(diào)換不同容量的電容器即可.學(xué)生制作成功率高，用的時間相對制作簡易直流電動機(jī)長的多.

2.4 高考試題中的交流異步電動機(jī)模型

圖8

例2.(2015年全國Ⅰ卷理綜第19題)1824年，法國科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實(shí)驗(yàn)”.實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖8所示.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動起來，但略有滯后.下列說法正確的是

(A) 圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢.

(B) 圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動.

(C) 在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發(fā)生了變化.

(D) 圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動.

解析： 本題考查電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的條件，電磁驅(qū)動等知識點(diǎn).圓盤可看成很多小圓面組成，相對于小磁針運(yùn)動則會在小圓面上引起磁通量的變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢形成渦流，故(A)正確.圓盤上產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，其周圍產(chǎn)生磁場，則磁針在轉(zhuǎn)動的磁場力的作用下開始轉(zhuǎn)動起來，故(B)正確，(D)錯誤.在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量為0，故(C)錯誤.

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)讓學(xué)生親歷知識形成的過程，才能發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，符合學(xué)生的認(rèn)知水平和認(rèn)知規(guī)律，進(jìn)而解決生活中的實(shí)際問題.在物理實(shí)驗(yàn)儀器介紹的教學(xué)中，教師也應(yīng)注重儀器的原理、結(jié)構(gòu)和使用方法等內(nèi)容介紹.簡單的實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)注重其創(chuàng)造制作的過程，應(yīng)以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥寣W(xué)生親手制作，以至于學(xué)生的思維得到發(fā)散，動手創(chuàng)造能力得到鍛煉.