自制电与磁多功能演示器

郭文海 陈成奇

一、问题的提出

通过多年的初中物理教学，笔者感觉在学习电与磁这一章时，教师要做的实验比较多也比较零散，在复习时学生会对三大现象及应用也特别容易产生混淆。为了突破这些难点和易混点，笔者特别设计了“电与磁多功能演示器”。演示器的突出特点是制作材料易得、制作成本低、使用的综合性强，能满足教师教学和学生学习的需要，使教师的教学和学生的学习变得更加游刃有余，大大提高了教学和学习效率。

二、制作及使用

1.所需材料与制作过程

两块细木工板、电池组(干电池4节)、线圈4个(L1，L2，L3，L4)、开关(S1，S2，S3，S4，S5)、指南针1个、自制电铃1个、自制电动机1个、小铁钉若干。

本装置的主体部分主要利用装饰材料的下脚料(2块细木工板)制作而成，另外再准备一些漆包线(0.2～0.5 mm，可以从废旧的小型电动机或小型变压器上拆用)、几根5 cm长的铁钉、废旧自行车铃、导线和小铁钉若干，指南针可以用钢针自制，像电铃、电动机和电磁铁上用的线圈都可以自己绕制(如图1～2所示)。

图1 装置实物图

图2 装置简图

2.使用注意事项

(1)装置的长边应与南北方向平行放置(减少地磁场对指南针的影响)。

(2)闭合S1，S2，S3时时间要短，以免电流过大而烧坏电源。

(3)使用电动机时如果不转，可用手转一下，让其转过平衡位置。

(4)使用电铃时响声如果不响亮，可以调整一下螺钉或弹簧片。

3.操作方法、原理与效果

(1)闭合S1，通过观察指南针的摆动情况，可研究电流的磁效应(如图3所示)。

图3

这根通电导线直接接在4节五号干电池的两极上，所以瞬间通过的电流比较大，由于电流的磁效应，在通电导线周围会产生磁场，磁场对下面的小磁针产生磁力作用，而使磁针发生转动。这个实验说明通电导线周围存在磁场，并能研究导线上方和下方的磁场方向，对调电池的正负极，还能探究通电导线周围的磁场方向与电流方向的关系，要注意小磁针红色一端所指的方向是否改变。

(2)闭合S2可使线圈L1，L2串联接入电路，通过观察线圈吸起铁钉多少，可以得出线圈的磁性强弱与线圈匝数之间的关系(如图4所示)。

图4

说明：线圈L1和L2是串联在电路中的(串联电路中电流处处相等)，L1为100匝，L2为200匝，由6 V电源提供直流电。由于电流的磁效应铁钉会被吸引，通过实验现象很容易看出线圈匝数越多吸起的铁钉越多，这充分说明在电流一定时，通电线圈的匝数越多，磁场越强。

(3)闭合S3可使L3，L4接入电路，通过观察线圈吸起铁钉的多少，得出线圈的磁性强弱与线圈中电流大小之间的关系(如图5所示)。

图5

说明：线圈L3和L4匝数相同，但接在不同电压的电路中，L3接入电压为1.5 V，L4为6 V，这样2个线圈中的电流不同，在线圈匝数相同时，电压越高电流越大，通电线圈产生的磁场越强。通过2个线圈吸引铁钉的多少，可直接得出正确结论，现象明了，充分说明在线圈匝数一定时，电流越大，磁场越强。

(4)闭合S4可使电动机接入电路，通过观察可了解电动机构造、原理及工作过程(如图6所示)。

图6

由装置不难看出，电动机主要由定子(提供磁场)、转子、换向器组成。当S4闭合时，线圈会转动，说明通电导体在磁铁提供的强磁场中受力而运动，并且对调电源的正负极，可以看到转子的转动方向也会发生改变。这说明了通电线圈受力的方向与电流方向之间的关系。若换用1节五号干电池供电，电动机的转速会明显下降，这充分说明了受力的大小与电流大小的关系。若闭合S4时线圈不转，有可能存在以下原因：线圈两端与电源线接触不良；线圈处在平衡位置；电流太小，线圈受力太小不足以克服摩擦力。做实验时这些现象都是正常的，可让学生自己解决，提高学生对电动机故障的检修能力，又能使学生对电动机有更加深入的了解，感知学习物理的实用价值。

通过这部分构造如果再配一个灵敏电流计，还可以演示电磁感应现象，并能探究感应电流的方向与线圈运动方向和磁场方向之间的关系，具体做法是串入灵敏电流计，向不同方向转动转子，或把转子下面的定子反放，以改变磁场的方向，然后观察灵敏电流计的指针摆动方向。同时也可以探究感应电流的大小与线圈转动速度和切割角度的关系，当线圈转过磁场的上方时，观察线圈以不同角度切入磁场时灵敏电流计的指针摆动速度和幅度，以此得出结论。

(5)闭合S5可使电铃工作，通过观察可了解电铃构造、原理及工作过程(如图7所示)。

构造：电磁铁、弹簧片、敲锤、铃

工作原理：当给电磁铁通电时，电磁铁有磁性把弹簧片吸下同时敲击铃一次，同时切断电路(弹簧片与触点分离)使电磁铁失去磁性，弹簧片在弹性作用下自然复位(弹簧片与触点接通)，使电路接通电磁铁又重新获得磁性，如此反复就发出了连续的铃声。通过此装置学生可以很直接地感知电铃的工作过程，并可以动手探究电铃的发声频率与哪些因素有关，拓展了学生的视野，激发了学生的学习兴趣，使他们感知到了学习物理的真正价值。

图7

三、创新点及其意义

(1)结构简单容易制作，在制作的过程中都是学生自己动手动脑找材料和制作，所以可以大大提高学生的动手及动脑能力。

(2)使用操作方便，实验现象形象直观，更容易激发学生学习电磁知识的积极性，让学生体会到学习物理的价值与意义，达到学以致用的目的。

(3)本装置可以完成电与磁的三大现象的实验，帮助学生了解电铃、电动机、电磁继电器和电磁铁的构造原理及工作过程，也可在综合复习时使用。使用它能提高教师教学和学生学习效率，所以综合性和实用性很强，并可大批量生产和使用。