江蘇省奔牛高級中學(xué)(213131) 呂 琪 鄂道勝

物理學(xué)是一門基于實驗、邏輯嚴謹?shù)膶W(xué)科，它對于科技的發(fā)展和革新有著至關(guān)重要的作用，同時也是人類文化的重要組成，它的發(fā)展深刻地影響著人類的生產(chǎn)和生活方式。物理實驗是物理教學(xué)的重要組成部分，對于幫助學(xué)生理解和應(yīng)用物理基本概念和基本規(guī)律有著不可取代的作用。

電磁現(xiàn)象在初中及高中物理中均有涉及，初中物理電和磁部分的內(nèi)容標準中，要求“通過探究直流電動機換向器的原理實驗，了解通電導(dǎo)線在磁場中會受到力的作用，力的方向與電流及磁場的方向都有關(guān)系”等知識。高中物理選修模塊中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象展示了不同運動形式之間的聯(lián)系，是初中物理電磁部分的進一步延伸。在高中物理實驗類校本課程“小實驗、大悟理”中，單極直流電動機可以作為電磁部分的拓展延伸，培養(yǎng)學(xué)生的分析和動手能力，也可以作為引課小實驗，均能取得較好的教學(xué)效果。

1 單極直流電動機實驗教學(xué)儀器開發(fā)的兩種思路

電動機的種類很多，以其結(jié)構(gòu)來說，主要由定子、轉(zhuǎn)子和換向器構(gòu)成。定子在空間中靜止不動，轉(zhuǎn)子則可繞軸轉(zhuǎn)動，由軸承支撐。定子與轉(zhuǎn)子之間會有一定空氣間隙(氣隙)，以確保轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動。本文主要介紹4種簡易電動機的制作方法，根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子的屬性分成兩大類：一類是磁鐵作為定子，線圈作為轉(zhuǎn)子，反之為第二類。

2 單極直流電動機的制作說明與設(shè)計原理

2.1 類一：磁鐵作為定子，線圈作為轉(zhuǎn)子

所用器材：電池、包裹絕緣層的銅絲、小刀、圓形小磁鐵(兩粒)、別針、電工膠帶、鉗子、橡皮泥。

2.1.1 類一模型1(見圖1)

圖1 類一模型1

制作說明：

(1)取銅絲1根，在距離一端約10 cm處，用剪刀刮除8 cm長的銅絲的絕緣層。絕緣層被刮除的部分用來做成磁鐵外圍的框架，可以把銅絲綁在圓形小磁鐵上形成一個圓圈。注意裸露的銅絲之間不要相互接觸，松緊度控制在與磁鐵恰好接觸，銅絲兩端引線的連線應(yīng)過圓圈的中心。

(2)接下來是完成框架的其余部分，兩端銅絲引線在距圓形小磁鐵0.5 cm處彎折90°。之后，對比電池，框架應(yīng)稍稍超過其高度，再彎折90°。做完這一步，框架已經(jīng)完成三面，只剩下電池的上面，最后一邊的框架由于要將銅絲末端擰在一起，需要的銅絲長度應(yīng)多出1 cm，用剪刀將多余的銅絲剪去，并用鉗子將末端擰在一起。

(3)將圓形小磁鐵吸附在電池負極，小磁鐵放置在框架的圓圈中，擰在一起的導(dǎo)線末端與電池正極接觸。適當(dāng)調(diào)節(jié)框架，使其與電池接觸良好并穩(wěn)定。

設(shè)計原理：

圖2給出了線圈在圓形小磁鐵產(chǎn)生的磁場中的受力情況，不難發(fā)現(xiàn)，此實驗成功的關(guān)鍵在于線圈所受安培力并不隨時間變化。另外，線圈框架對稱的結(jié)構(gòu)使得線圈在旋轉(zhuǎn)過程中始終能夠保持平衡，從而使線圈能夠持續(xù)地轉(zhuǎn)動。

圖2 受力情況分析

2.1.2 類一模型2(見圖3)

圖3 類一模型2

制作說明：

(1)繞制線圈時，選定導(dǎo)線中間一點，然后將兩端的導(dǎo)線緊密均勻地繞成方形導(dǎo)線圈(也可繞成圓形)，為了保證線圈的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)線的匝數(shù)最好在30圈以上。導(dǎo)線自由端在線圈中來回打個結(jié)，也可用膠帶纏繞使其固定住。

(2)用鋒利的小刀去除兩個線圈自由端一半的絕緣層，即導(dǎo)線一半的側(cè)面要保持絕緣，注意暴露的金屬絲應(yīng)朝向兩側(cè)相同方向。

(3)將線圈兩端暴露出的金屬絲伸進別針的小孔內(nèi)，保持線圈伸直不彎曲。電池底座用橡皮泥粘在桌面上，用電工膠帶將別針分別粘在電池的兩極，使兩別針觸及電池的一極，別針的小孔在上端，繞好的線圈穿過別針小孔掛在電池的上方。

(4)用膠帶將圓形小磁鐵粘在電池的側(cè)面，注意保證它的中心在線圈的正下方。此時給線圈一個正確方向的初始轉(zhuǎn)動，就能看到它連續(xù)地轉(zhuǎn)動下去。

設(shè)計原理：

金屬線圈、別針和電池組成一個串聯(lián)回路，導(dǎo)線環(huán)中的電流產(chǎn)生磁場，其方向可以通過右手定則確定。因為電流在導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場不總是垂直于貼在電池上的磁體，導(dǎo)線的磁場中的一些部分被排斥，引起線圈持續(xù)旋轉(zhuǎn)。去除線圈兩端一半絕緣層是為了周期性地斷開電路，否則線圈的磁場會因為與磁鐵磁場相互吸引而停止轉(zhuǎn)動。線圈連通時，線圈產(chǎn)生的磁場被固定磁鐵的磁場排斥；而當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到不排斥的位置時(線圈中電流為0)，會因為慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直到相互排斥的位置。一旦移動，線圈可繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直到電池沒電。該線圈只能沿一個方向旋轉(zhuǎn)的原因是錯誤的旋轉(zhuǎn)方向不會造成磁場互相排斥，而是吸引。

2.2 類二：線圈作為定子，磁鐵作為轉(zhuǎn)子

所用器材：電池、絕緣電線、小刀、圓形小磁鐵(多粒)、電工膠帶、鉗子、釘子(鋼制)、記號筆、水管、墊圈、螺栓、膠水。

2.2.1 類二模型1(見圖4)

圖4 類二模型1

制作說明：

(1)用記號筆在圓形小磁鐵上畫斜杠(也可在釘子上串些彩色紙片)，這樣做有助于觀察磁鐵的旋轉(zhuǎn)。

(2)將圓形小磁鐵吸附在釘子的釘帽上，并將釘子的尖端對準電池的正極(正、負極皆可)，需要注意的是釘子的材質(zhì)需為鐵或鋼，而不能為銅。手握住電池或者用支架將其固定，釘子被磁化之后亦會吸附在電池上而不致脫落。

(3)將導(dǎo)線兩端的絕緣層刮除后，一端用手壓住導(dǎo)線使其與電池的正極(或負極)相連，另一端像一個刷子一樣貼在圓形小磁鐵的側(cè)面上。

設(shè)計原理：

此模型與類一模型1基本一致，不再敘述。此實驗中電池短接，導(dǎo)線中有一個大的電流，因而會變得非常熱，可使用電工膠帶將導(dǎo)線粘在電池電極上。與之前所述實驗主要的差別是將定子和轉(zhuǎn)子調(diào)換(前者線圈轉(zhuǎn)動，后者磁鐵轉(zhuǎn)動)，釘子在這里的作用是其尖端使得轉(zhuǎn)子(釘子與磁鐵)與電池之間的摩擦力大為減小。實驗中還可以調(diào)換電池兩極(或磁鐵兩極)的正負，觀察到磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向反向。

2.2.2 類二模型2(見圖5)

此模型又稱紐曼電動機，是紐曼設(shè)計的一種直流電動機。其原理仍是利用磁場對通電導(dǎo)線有力的作用，歷史上紐曼曾經(jīng)宣稱此電動機的能源來自銅導(dǎo)線圈的質(zhì)量直接轉(zhuǎn)化的可用的能量。實際上，紐曼電動機原理與其他類型的電動機原理并無二致。

制作說明：

(1)用膠水把圓形小磁鐵以圖5所示的形式粘在螺栓上，注意磁鐵的南北極保持一個方向。

圖5 類二模型2

(2)取暖水管子一截，從中心位置過中軸打穿兩個孔，用來穿過螺栓。在其上用銅線繞制線圈，螺栓上部分繞制80圈，下部分繞制80圈。

(3)將銅線一端與螺栓連在一起，另一端連到電源的負極(電源電壓為12 V)。螺栓的另一端可與一材質(zhì)較硬的彈簧連接，并將彈簧連接到電源的正極，為了不影響螺栓的轉(zhuǎn)動，注意不要將彈簧固定在螺栓上，只需保持接觸即可。

此實驗與其他的電動機原理并無差別，在此實驗基礎(chǔ)之上，還可嘗試向用銅線繞制的線圈中加入一個LED燈，將其置于轉(zhuǎn)動的磁鐵上方，則會觀察到LED燈被點亮，并且與磁鐵的距離越近，亮度越大。

3 單極直流電動機實驗制作教學(xué)的體會與反思

校本課程給了學(xué)生充分的時間對感興趣的實物進行探索和鉆研，學(xué)生在親手設(shè)計和制作電動機模型的過程中會經(jīng)歷許多挫折，教師應(yīng)放手讓學(xué)生自己探究實踐，使他們能通過自己的努力獲得成功。本實驗的制作和教學(xué)并非一蹴而就，教師反思后總結(jié)，可以分為原理設(shè)計、器材制備、交流展評三塊內(nèi)容，并將學(xué)生的作品在物理課堂教學(xué)中穿插展示，增強學(xué)生的成就感。

此外，電動機也是許多力學(xué)實驗器材的重要元件，后續(xù)可以拓展探究任務(wù)。例如，利用自己制作的電動機組裝一個電動小車，組裝成功后可利用小車載重物來探究小車最大載重與哪些因素有關(guān)。這個過程既培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，又使學(xué)生的動手探究能力得到關(guān)注與培養(yǎng)。