劉信生，陶士金 ，傅求寶 ，張大明

(1.廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學,安徽 合肥 231551;2.合肥市教育科學研究院,安徽 合肥 230071;3.廬江縣教育體育局 教研室,安徽 合肥 231500;4.廬江縣第四中學,安徽 合肥 231500)

1 問題的提出

電動機與發(fā)電機都屬于電機類, 是實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的電磁機電裝置[1]. 在現(xiàn)實生活中，電動機與發(fā)電機裝置的應用非常廣泛,也是初中物理新課標[2]要求掌握的重要內(nèi)容之一. 滬粵版初中物理教材[3]第十七章“電動機與發(fā)電機”的授課內(nèi)容被分為3節(jié)，其中17.1節(jié)和17.2節(jié)教學內(nèi)容的設(shè)置思路為：通過實驗探究教學，總結(jié)得出電動機工作原理與其模型制作過程；17.3節(jié)教材內(nèi)容的設(shè)計理念為：探究發(fā)電機的工作原理和實用發(fā)電機的結(jié)構(gòu). 其中電磁感應原理是電、磁聯(lián)系的知識應用，也是本章的教學重點. 該章的教學目標為：初步培養(yǎng)學生的能量觀念，讓學生深入了解電能生磁、磁也能生電，并在現(xiàn)實生活的物理應用中，培養(yǎng)學生的逆向思維能力. 但在實際教學過程中，電動機與發(fā)電機的探究實驗活動有先后之分，實驗探究得出的結(jié)論在表達上也有先后之別，從而導致學生對電動機和發(fā)電機的認知相分離. 因此，在實際教學過程中，如何將電動機與發(fā)電機進行有機整合，實現(xiàn)二者之間的有效轉(zhuǎn)換，幫助學生更好地理解二者之間的聯(lián)系與區(qū)別是目前需解決的問題. 根據(jù)該問題，本文設(shè)計了電動機和發(fā)電機可相互轉(zhuǎn)換的實驗裝置，幫助學生更好地理解這部分內(nèi)容，體現(xiàn)了當下“減負提質(zhì)”的教學變革理念.

2 實驗裝置的靈感來源

2.1 探究實踐活動的啟發(fā)

在電動機的教學中，通過實驗室電動機模型的演示實驗，學生發(fā)現(xiàn)電能可以轉(zhuǎn)換為機械能；在發(fā)電機的教學中，當學生用力搖動小馬達的搖把時，串聯(lián)在電路中的小燈泡被點亮，如圖1所示.

圖1 發(fā)電機演示裝置圖

此時，有學生對該款發(fā)電機提出質(zhì)疑：a.改變搖把轉(zhuǎn)動方向，產(chǎn)生的感應電流方向是否會發(fā)生改變；b.手搖馬達產(chǎn)生的感應電流，其大小是否穩(wěn)定不變. 針對以上問題，有學生將2只發(fā)光二極管的極性顛倒后并聯(lián)接入電路，如圖2所示. 根據(jù)發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦?，可畫出簡單電路示意圖，如圖2(b)所示. 為了進一步探究感應電流的特點，可以用電流傳感器等數(shù)字化軟件測量感應電流的大小，再描繪出電流變化圖像，以此反映感應電流的特點.

(a)實物裝置圖 (b)示意圖

學生小組根據(jù)以上分析進行合作探究，具體操作如下：

1)將電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器接入裝有數(shù)字化軟件的電腦上，并將小馬達串聯(lián)接入電路；

2)打開數(shù)字化軟件，創(chuàng)建電流傳感器界面，點擊“采集參數(shù)”設(shè)定記錄時間為20 s，搖動小馬達的搖把，用鼠標點擊“開始”，每隔5 s改變1次搖把的轉(zhuǎn)向.

3)重復以上步驟，分析數(shù)據(jù)、繪制電流圖像，如圖3所示.

圖3 電流-時間圖像

通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(微型手搖小馬達)將機械能轉(zhuǎn)換為電能時，產(chǎn)生的感應電流大小和方向并非保持不變，而是與搖把的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向有關(guān). 另外，在操作過程中還發(fā)現(xiàn)電動機與發(fā)電機在能量轉(zhuǎn)換上存在可逆性，因此制作了電動機與發(fā)電機相互轉(zhuǎn)換裝置教具.

2.2 理論分析

2.2.1 電動機原理

電動機是通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動，將電能裝換為機械能的裝置，如圖4所示. 在磁體N極和S極之間固定繞軸轉(zhuǎn)動的電驅(qū)繞組(矩形線圈制成)，閉合電源，通過電刷和換向器將直流電通入線圈，依據(jù)左手定則，通電線圈在磁場中因受到電磁力矩的作用而繞軸轉(zhuǎn)動. 當線圈轉(zhuǎn)至平衡位置(與磁場方向垂直)時，換向器通過改變線圈中電流的方向?qū)崿F(xiàn)線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動，從而將電能轉(zhuǎn)換為機械能.

圖4 電動機原理圖

2.2.2 發(fā)電機原理

發(fā)電機是根據(jù)電磁感應原理，將機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，如圖5所示. 在磁體N極和S極之間固定繞軸轉(zhuǎn)動的矩形線圈，并與電路連接形成閉合回路，依據(jù)右手定則，感應電流方向與磁場方向、導體切割磁感線方向有關(guān)[4]. 根據(jù)感應電動勢Ε=BLvsinθ(B為磁感應強度，L為線圈切割磁感線的有效長度，v為線圈的線速度，θ為線圈速度方向與磁感線之間的夾角)，當線圈順時針轉(zhuǎn)動時，線圈通過換向器和電刷將感應電流向外輸送；當線圈逆時針轉(zhuǎn)動時，線圈產(chǎn)生的感應電流方向發(fā)生變化，這與2.1中的實驗現(xiàn)象一致. 因此，磁場中線圈的轉(zhuǎn)向不變時，輸出的感應電流方向也不變，該裝置被稱為“直流發(fā)電機”.

圖5 發(fā)電機原理圖

綜上所述，電動機與發(fā)電機的核心裝置基本相同，裝置的空間結(jié)構(gòu)也非常相似，因此電動機與發(fā)電機之間實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換具有科學依據(jù).

3 電動機與發(fā)電機相互轉(zhuǎn)換的實驗裝置

3.1 實驗器材

微型手搖發(fā)電機1臺，充電電池(3.7 V，1 500 mAh)1塊，顛倒兩極且并聯(lián)連接的紅綠色發(fā)光二極管成品支架1個，長方形亞克力透明板(30 cm×15 cm×0.5 cm)1塊，閘刀開關(guān)2個，導線若干，長方體免漆板(25 cm×8 cm×2 cm)2塊，木板包邊條1根，充電鉆1個，手工小鋸1把，熱熔膠棒槍1支.

3.2 部件與支架的組裝

按圖6所示結(jié)構(gòu)圖進行組裝.

圖6 實驗裝置結(jié)構(gòu)電路圖

具體操作如下：

1)用充電鉆在長方形亞克力透明板的上部中間位置打小孔洞，并將孔洞的中間部分掏空，孔洞大小為正好能將手搖發(fā)電機水平插入在亞克力孔內(nèi)；

2)水平插入手搖發(fā)電機，電機的接線柱在亞克力透明板的另一側(cè)露出，用熱熔膠將電機固定在亞克力板上；

3)將亞克力透明板豎直立在1塊免漆板(作為底座)上方，用手工小鋸將另1塊免漆板從中間位置鋸成大小相等的2塊，并用鋸開的2塊免漆板豎直夾緊亞克力板，再用熱熔膠固定免漆板和亞克力透明板，完成支架定型；

4)在亞克力透明板的正面，用導線將充電電池和閘刀開關(guān)串聯(lián)；

5)在亞克力透明板的背面，將顛倒兩極且并聯(lián)連接的紅綠色發(fā)光二極管成品支架和另一閘刀開關(guān)串聯(lián)；

6)將正、背面的支路并聯(lián)，并分別用導線連接手搖小馬達的2個接線柱；

7)用熱熔膠將充電電池與開關(guān)固定在正面底座的免漆板上，將二極管成品支架與另一閘刀開關(guān)固定在背面底座的免漆板上；再用木板包邊條將裝置底座免漆板的4個切面包貼好，此時裝置的正、背面是2條獨立的并聯(lián)支路，而手搖小馬達接在電路的干路中，如圖7所示.

(a)電動機裝置(正面)

3.3 實驗裝置的演示過程

電動機與發(fā)電機相互轉(zhuǎn)換的實驗演示過程及現(xiàn)象可通過掃描圖8的二維碼觀看. 具體操作步驟如下：

圖8 實驗演示視頻二維碼

1)閉合正面(電動機裝置)開關(guān)S1，將小馬達接入電路，可觀察到小馬達的搖把開始轉(zhuǎn)動，此時小馬達為正常工作的電動機，該過程為電能轉(zhuǎn)換為機械能.

2)斷開正面開關(guān)S1，閉合背面(發(fā)電機裝置)開關(guān)S2，將小馬達接入電路，當順時針搖動馬達搖把時，觀察到支架上只有綠色二極管發(fā)光；當逆時針搖動搖把時，觀察到支架上只有紅色二極管發(fā)光，即感應電流的方向與搖把的轉(zhuǎn)向有關(guān)，此時小馬達為正常工作的發(fā)電機，該過程為機械能轉(zhuǎn)換為電能.

通過以上演示可知，手搖馬達既可以作為電動機使用，也可以作為發(fā)電機使用. 由于電動機和發(fā)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎相同，因此能夠?qū)崿F(xiàn)二者之間的有效轉(zhuǎn)換，其能量的轉(zhuǎn)換方式互逆.

4 實驗效果的評價

4.1 增強實驗的可視性

裝置中電機(小馬達)在通電情況下，其搖把會自動旋轉(zhuǎn)并發(fā)出齒輪摩擦的聲音，此時電機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機；在另一側(cè)電路中，用力搖動電機搖把，其中一個發(fā)光二極管會立即發(fā)光，改變搖把的轉(zhuǎn)向，另一個發(fā)光二極管會立即發(fā)光，此時電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機，而且感應電流的方向與搖把的轉(zhuǎn)向有關(guān). 通過以上演示，學生在聽覺、視覺和觸覺上有全方位的體驗，能夠更容易理解電動機和發(fā)電機之間的聯(lián)系和區(qū)別. 因此，該實驗裝置具有較強的可視性，能夠激發(fā)學生的學習興趣，引發(fā)學生深度思考.

4.2 提高學生的參與度

通常教學中，教師將電動機與發(fā)電機可以相互轉(zhuǎn)換的結(jié)論直接告訴學生，導致知識點只能停留在學生的識記層面上；或者讓學生分立地探究電動機裝置和發(fā)電機裝置，導致學生無法將2種電機進行有效整合. 電動機與發(fā)電機相互轉(zhuǎn)換演示裝置的制作過程，可以調(diào)動學生的積極性，讓學生主動參與到實驗的演示、評估與分析中，以凸顯學生的主體地位，提升學生探索未知世界的興趣，激發(fā)學生學習物理的潛能.

4.3 實驗裝置的普適性

物理教育家朱正元曾經(jīng)說過“制作的演示儀器要注意簡單、明了、尺寸夠大”[5]. “簡單”即以實驗室現(xiàn)有的或者日常生活用品為主的低成本器材進行制作；“明了”即突出重點主題，避繁就簡、主次分明；“尺寸夠大”即突出可視性的特點，體現(xiàn)“高見度、強視覺”的優(yōu)點. 因此，教師要善于從日常生活用品中開發(fā)實驗器材，采用簡單樸實的方式展現(xiàn)復雜過程或抽象問題中的物理內(nèi)涵，激發(fā)學生的學科興趣和求知探索欲望[6]. 電動機與發(fā)電機相互轉(zhuǎn)換裝置演示教具的制作過程和實驗教學展示正是體現(xiàn)以上創(chuàng)新實驗教學的理念與精神. 與以往的電動機與發(fā)電機二合一演示裝置[1]相比，該裝置更適合初中學生使用. 學生可以利用生活中的廢舊電機、發(fā)光二極管等材料進行自主制作，整個裝置的成本較低，制作過程簡單，可復制性強，易于操作，具有較強的普適性.

5 結(jié)束語

電動機與發(fā)電機相互轉(zhuǎn)換裝置在當前義務教育“雙減”政策下的物理實驗教學中具有引領(lǐng)作用. 利用該裝置進行相互轉(zhuǎn)換實驗，不僅能夠訓練學生的思維，減輕學生的學習負荷，還能夠讓學生樹立能量可以相互轉(zhuǎn)換的物理觀念，提升學生的逆向思維能力，在創(chuàng)新實驗教學中培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng).