通电平行直导线相互作用演示装置①

朱向阳

(江西省信丰中学，江西　信丰　341600)



通电平行直导线相互作用演示装置①

朱向阳

(江西省信丰中学，江西信丰341600)

①本文为江西省教育科学“十二五”规划2015年度重点课题“不同学习方式对职前科学教师探究教学能力培养的影响研究”(课题编号：15ZD3LYB003)的阶段成果之一.

名师简介：朱向阳，江西省特级教师，江西省信丰中学首席教师，江西省物理学会第十届理事会理事，享受赣州市政府特殊津贴专家.在国家和省级刊物上发表论文80多篇.研究方向为中学物理实验创新与改进.

摘要：在直导线两端各焊接1根柔软导线，并让2根直导线在竖直板面上平行地吊挂起来，设计、制作成“同向电流相互吸引、异向电流相互排斥”的演示装置.

关键词：电流间相互作用；直导线；演示实验

在高中物理教学中，通电平行直导线相互作用演示实验是较难做的实验，为了提高演示效果，很多老师对此实验进行了改进[1～7].与“点接触转轴式‘电流间相互作用’演示装置”相类似的“旋转式平行直导线型”(J2447，D-PX-Y-A)仪器，是现在比较成熟和效果较好的产品[8].但在使用中有老师发现该类仪器存在“同向电流相吸效果不明显”的问题[9]，我们在使用中发现该类仪器最大的问题是经常出现通电时一根弓形导线转动而另一根弓形导线静止不动的现象.究其原因是触点处大电流火花放电而被氧化并形成细小的颗粒物，使两根弓形导线点接触的摩擦力大小不同，结果导致两根弓形导线一动一静的现象.笔者采用在直导线两端焊接柔软导线的方法，设计、制作成“通电平行直导线相互作用演示装置”，避免了火花放电产生的问题，实验现象也更加贴合教材内容.

1装置结构

如图1所示，在圆盘底座的中央直立固定1根PVC线槽板作支架兼背景板.直导线两端各焊接1根柔软导线，各柔软导线的另一头分别固定在板面上、下端的4颗螺丝上，使2根直导线在竖直板面上平行地吊挂起来.板面上端2颗螺丝通过1块铜片与1根较粗的铜质单芯导线相连接，板面下端2颗螺丝之间通过1根一头带鳄鱼夹的胶皮导线来实现连接或断开.2根直导线的中部与1根水平放置的阻力杆(轻质吸管)接触.

图1　演示装置结构示意图

2制作材料

长80cm、宽10cm的PVC线槽板1根(电工敷设线路用材)，长约250mm、直径约1.8mm的铜导线2根，长约30mm、直径约4mm的螺丝4颗，台式电脑的键盘输出线1根，圆盘底板1块，初中或高中教学电源(或6V蓄电池)1个，铜片、吸管等.

3制作方法

(1) 直导线的制作

取2根长约25cm、直径约1.8mm的铜导线作直导线，在直导线的两端各焊接1根长约20cm的柔软导线，各柔软导线的另一头焊接在1个用铜导线制成的扁形夹上.经多次试验，柔软导线选用台式电脑键盘输出线的芯线比较合适.芯线的取法：用美工刀小心地将键盘输出线的外层胶皮分段破开，并逐段去除破开的胶皮(注意不要划伤里面的芯线，也不要使芯线扭转变形).去除外层胶皮后可见有4根不同颜色(黄色、绿色、蓝色、白色)的细软多芯胶皮导线，为了便于实验观察，把其中1根深色的胶皮导线剪成4段(每段长约20cm)作柔软导线(无需剥去导线的外层胶皮).

(2) 连接导线的制作

取1块长约6cm、宽约1cm的铜片，用电钻在铜片的右端开2个螺丝孔，两孔的中心间距约2cm，铜片左端焊接(或用螺丝固定)1根长约60cm、直径约1.8mm的铜质单芯导线，如图1中的“单芯导线”.再用1根较粗的多芯胶皮导线作图1中的“胶皮导线”，导线的一头焊接1块铜质垫片，另一头焊接1只鳄鱼夹.

(3) 支架板的制作

取1根长约80cm、宽约10cm的白色PVC线槽板作支架兼背景板，白色板面与板面上的深色导线对比分明，利于观察导线的状态.在板面的上端和下端相距70cm处各开2个螺丝孔，两孔的中心间距约2cm.用1个直径约20cm的圆盘作底座，底座中央用螺丝直立固定1块长约9.5cm、宽约为2cm和高约为8cm的木板，用于固定支架板.

(4) 演示装置的组装

用长约30mm、直径约4mm的2颗螺丝把带单芯导线的铜片固定在支架板的上端，再把2根直导线上与柔软导线相连接的扁形夹分别夹在这2颗螺丝上，并用垫片和螺母紧固，如图2所示.

图2　演示装置上端结构图

把长约30mm、直径约4mm的2颗螺丝分别固定在支架板下端的螺丝孔上，并把焊接在胶皮导线上的铜质垫片固定在左边的螺丝上(胶皮导线另一头的鳄鱼夹在实验过程中可与右边的螺丝连接)，再把2根直导线下端与柔软导线相连接的扁形夹分别夹在这2颗螺丝上，并用垫片和螺母紧固(如图3).

图3　演示装置下端结构图

把支架板的下端套在圆盘底座的木板上，使支架板直立在底座中央，并用螺钉把支架板的背面固定在木板上.用手指把直导线下方的柔软导线弯曲成倒立的“7”字形(如图3中“柔软导线”的形状)，用其代替教材图示中的柔软弹簧[10].适当调整各扁形夹的位置，使2根直导线相距1.5至2cm范围内，并在竖直方向上相互平行.为了防止2根直导线在实验过程中出现晃动不停的现象，可用1根8号铁线弯折成半线框，把半线框卡在支架板中部，再在半线框上放置1根轻质吸管作直导线的阻力杆(如图4).实验时适当调整半线框的倾斜度，使2根直导线轻微触压在阻力杆上，便能有效地阻碍直导线的晃动.

图4　演示装置中部结构图

用“教学电源”(实验室的高中或初中教学电源均可)的大电流档(或1个6V蓄电池)作电源，

4实验方法

把装置下端“胶皮导线”上的鳄鱼夹夹在右边的螺丝上(如图3)，然后用2根带鳄鱼夹的导线分别与装置中的“单芯导线”和装置下端左边的螺丝相连接，2根导线另一头的鳄鱼夹分别与电源的正负极连接，2根“直导线”便并联在电路中.接通电源，可看到通有同向电流的2根“直导线”在阻力杆上相向滑动而靠在一起；断开电源，2根“直导线”在阻力杆上背向滑动又恢复到原来的位置.实验现象表明：同向电流相互吸引.

断开装置下端右边螺丝上的鳄鱼夹，再把与“单芯导线”连接的鳄鱼夹改夹在此螺丝上，2根“直导线”便串联在电路中.接通电源，可看到通有异向电流的2根“直导线”在阻力杆上背向滑动而远离开来(各自滑动约1cm)；断开电源，2根“直导线”在阻力杆上相向滑动又恢复到原来的位置.实验现象表明：异向电流相互排斥.

每次通电时间不要超过3s,防止因通电时间过长，导致柔软导线发热使胶皮烧焦.但断电冷却几秒钟后，又可再次通电实验.

5结束语

用台式电脑键盘输出线的芯线作柔软导线，并以倒立的“7”字形导线代替教材图示中的柔软弹簧，是成功演示“同向电流相互吸引、异向电流相互排斥”现象的关键所在.演示装置一方面利用柔软导线在通电时发热致线芯和胶皮变软的特性，使其在2根直导线相互作用力较小的情况下，也能跟随直导线的滑动而发生形变；另一方面利用柔软导线断电冷却时线芯和胶皮变硬的特性，使其在自身弹力的作用下把2根直导线拉回到原来的位置.所以，演示装置的设计科学、合理，实验现象也更加贴合教材内容.

参考文献：

[1] 葛宇宏.交直流载流矩形线圈相互作用演示仪[J].物理实验，2010，30(9)：18-21.

[2] 马桂君.电流间的相互作用实验的意义及实验方法[J].中学物理教学参考，2007，36(5)：16-17.

[3] 谢永强.电流间相互作用实验的改进[J].教学仪器与实验，2006，22(11)：16-17.

[4] 汪玉强.“电流间通过磁场发生相互作用”实验的改进[J].物理实验，2005，25(10)：34.

[5] 李方杰.平行导体中的电流相互作用规律的演示方法[J].物理教师，1999，20(2)：17.

[6] 施朝群，朱向阳.电流间相互作用演示实验的改进[J].实验教学与仪器，2006，23(2)：23-24.

[7] 谢作为.点接触转轴式“电流间相互作用”演示装置[J].物理实验，2006，26(6)：31-32.

[8] 任伟德.2013年审查通过的几项电磁学仪器行业标准概况[J].教学仪器与实验，2014，30(9)：52-53.

[9] 沈瑞清.“同向电流相互吸引”实验的思考和改进[J].中学物理教学参考，2014，43(1、2)：103-104.

[10] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理(选修3-1)[M].北京：人民教育出版社，2010：92.