从“创意电动机的设计与制作”来看物理知识的内化

2015-08-10何丽萍

物理通报 2015年2期

何丽萍

（广州市第四十一中学广东广州 510250）

1 选题提出问题

“通电导线在磁场中受安培力的作用”，物理课堂上教师说电动机的原理就是磁场对电流的作用力使得电动机上的线圈运动，可是学生平时看到的马达都是被厚厚的机壳包严实的，内部结构看不到，且根本就观察不到它与磁场的关系.课后我们找来几个四驱车及旧风扇的马达，拆开来看，确实有线圈，可是它的线圈的运动情况绕法非常复杂，线绕得可以十字交叉，且日常电器用的是交流电，到底怎样受安培力的没有办法分析.

教师课堂上讲授的方形线框由于上下两条边的电流方向而导致置于相同的磁场中，两边的安培力方向相反形成力矩，使得线框转动，一点也看不出，那怎样的一个装置可以直观地说明电动机转动的原理呢？实际生活中的电动机都是用的交流电，演示实验用的是1.5V 的电池，有好办法让直流电也使线圈持续转动吗？能否探究出更好的办法去呈现所学的原理知识？直流电与交流电的区别在哪里？怎样用高中所学的知识来解释我们实验当中看到的现象并进行解释.这些非常有趣，学生非常期待做这样的一个电动机，既可以运用所学的物理知识，又可以为学生提供一点直观的实验装置，特别是有的学生在这章的学习当中对空间的想象较差，学生觉得小制作可以帮到他们，所以有3位优秀的学生成立了一个3人小组进行探究.

2 准备的器材

电池盒，直径不等的漆包线，泡沫板，铁线，铜线，电池，磁铁，导线若干，开关，小刀，回形针，尖嘴钳，小灯泡，二极管等.

3 探究的过程

根据所学的《物理·选修3－2》第三章的知识，他们设计了实验，并按步骤进行了电动机的制作.反复地进行改进，初期的制作结果如图1所示.

图1 学生初期制作的电动机

小组的成员在做实验的过程中，突发奇想，他们在支架两端并上了一个小灯泡，结果发现了一个更好玩的现象，灯泡原来是亮的，可是在电动机转动的过程中却不断地闪烁，如图2所示.

图2 学生学习小组在做电动机实验

他们非常好奇这时候流经灯泡的电流是不是交流电，那么电动机能连续地转动起来也是交流电驱动的吗？于是他们又对实验进行了改进，安装了两个反向的二极管，说明灯泡亮起来和电动机转动是靠直流电驱动的，最终他们的创意电动机作品如图3所示.

图3 学生的创意电动机作品

具体实验过程如下：

（1）将大约2m 长的漆包线绕成一个直径约为4cm 的圆形线圈（见上图1），线圈的首尾各留出15 m m 和30 mm 的一段，并用它们把线圈扎紧.直径越小，匝数越多，电动机转速越快，因为安培力越大，质量又小.

（2）尽量将圆形线圈的各匝靠近.如果可能的话，可以剪下几小截漆包线将线圈环绑在一起（不用担心，漆包线是绝缘的）.我们尝试过用直径比较大的漆包线来做线圈，但是由于两个半圆的重量差别大，使得线圈会很难转动起来.

（3）将回形针或者铜线做成支架撑起线圈（见图3）.用把回形针及线圈固定在泡沫板上.然后将电池接到支架的两端，以便通过它给整个线圈电路供电.

（4）线圈的末端是自由地搭在两个支架上的，你可以任意弯曲支架以防线圈掉下.支架一定要导电性能好的材料，我们曾用过铁线来做支架，可是由于氧化得厉害，它根本不通电，花费了大量的时间做排查，也可以用回形针代替支架，它的导电性能最好，可是它体积小，支持线圈时不够牢固.

（5）现在进入最难的一步！他们把漆包线两端的绝缘介质清除掉，这样电路才能有电流通过.这层绝缘介质是可以清除掉的.比如你可以用一个小刀来刮下绝缘层.注意如果你把铜丝上所有的绝缘介质都清除掉的话，线圈将不能连续转动，因为转矩在一次旋转周期内将会反转.有一个简单的解决办法，那就是只清除一半漆包线的绝缘层.注意是清除与支架接触部分（即线圈两端的同一半边的油漆），这样才能既起到换向作用，但是又是通电的.

（6）小灯泡在没有放上线圈之前是稳定地发亮的，可是在放上线圈的那一瞬间就暗了下去，随着线圈的转动加快，小灯泡闪烁的频率就越高.那么小灯泡发光的电流是否是直流电呢？电动机在转动的过程中是否使得电路中有交流电使得小灯泡发光呢？

（7）找两个二极管正负反向地并联在支架两端，我们看到的现象是线圈转动时只是高的那只二极管在闪烁，当我们将电源的正负调转时发现只是矮的那只在闪烁.二极管具有单向导电性，这就足以证明灯泡发亮不是交流电的原因，如果是交流电两只二极管会交替地闪烁.

（8）至于二极管闪烁的原因可以用学过的全电路欧姆定律来解释，当线框放上支架通电时与灯泡是并联的关系，会使得外电路的等效电阻变小，干路电流变大，路端电压变小，既灯泡的电压变小，实际功率减小，看到变暗，线框由于惯性转到有油漆的一侧时，线框断路，灯泡两端的电压变大，线框转动的过程中线框不停地与灯泡并联或断开交替着，灯泡的电流的大小不断变化，看到亮暗交替，不断闪烁，但电流方向没变，即不是交流电.