低成本物理创新实验之简易电动机的再改进

王太军 唐忠敏

(1. 西北师范大学教育学院物理教育研究所，甘肃 兰州 730070; 2. 西北民族大学预科教育学院物理教研室，甘肃 兰州 730030)



·初中园地·

低成本物理创新实验之简易电动机的再改进

王太军1唐忠敏2

(1. 西北师范大学教育学院物理教育研究所，甘肃 兰州 730070; 2. 西北民族大学预科教育学院物理教研室，甘肃 兰州 730030)

已有电动机教学实验效果不明显,在教学应用中有诸多局限．新设计与改进的简易电动机,无需电刷、无需导线连接,启停过程中均无短路现象,安全性较高,实验效果明显,可操作性极强,学生亲自参与制作,便于提升科学素养和实践能力．

低成本； 创新物理实验； 简易电动机； 设计制作

图1 教科书中的“电动机”

“电动机”是人民教育出版社9年级物理教科书(下称“教科书”)第20章第4节的教学内容．该节内容的导入部分“想想做做”中给出了简易电动机的制作方法及过程．[1]把一段粗漆包线绕成矩形线圈,漆包线在线圈的两端各伸出一部分．然后去掉线圈两端引线的漆皮,左端全部刮掉,右端只刮上半周或下半周．将线圈放置于架在强磁铁两端的金属丝支架上,并通过金属丝支架分别与电池的两极相连,给线圈通电并用手轻推一下,线圈就会不停地转下去,如图1所示．

1 已有简易电动机的缺陷与不足

在实际教学中,根据教科书内容来做这个电动机的实验,现象与效果并不理想，主要有以下几方面困难.

(1) 漆包线刮漆不均匀，接触不良,线圈不能持续转动．实验中选用的漆包线一般为镀漆铜线,漆层为绝缘层且覆盖较紧密,与铜线颜色差异不明显,若刮漆不均匀,实验很难取得明显的效果．

(2) 很难控制线圈的转动平衡．线圈绕制一般是手工制作,很难精确控制转动所需要的平衡,故转动时常有上下颠簸以致于不能持续转动．

(3) 摩擦较大，转动不易持续．线圈转动时与金属丝支架的摩擦较大,转动不易持续维持．为减小摩擦,通常会选用更细的金属丝来制作支架和线圈,但更细的金属丝导致结构性更弱,不足以支撑线圈重量,转动时容易坍塌而导致实验失败．

(4) 短路造成电池损耗严重．在通电后用手推线圈之前,线圈不能立即转动,在很多情况下此时电路是处于短路状态,电流过大,电池内部发热严重,耗损过大,常会遇到实验尚未进行多久电池已无足够电量的问题,造成实验现象很不明显．若学生单独做该实验,短路还容易引发其他危险．

因此,有不同学者开始了各种简易电动机改进的实验尝试,如改进的“中”字型线圈、[2]用带孔的金属片代替金属丝支架以增强结构强度等．[3]从整体来看,已有用于物理教学的简易电动机主要有3种具有代表性的类型,如图2中(a)、(b)、(c)所示．[4]其中图2(a)所示的是金属支架上放置线圈一类的简易电动机,与原教科书中的实验连接较为近似,这类简易电动机虽无其他导线连接,较为简便,但是用手捏紧金属架短路瞬间发热容易灼伤皮肤; 图2(b)所示的是用铁钉、强力磁铁、导线、电池做成的一类简易电动机,用柔软导线作为电刷,铁钉与磁铁整体转动,其原理有研究进行过讨论,[5]在此不展开,这类电动机在实际应用中容易出现因磁力较弱铁钉与磁铁掉落,或在转动过程中因磁力太强磁铁直接吸附在电池上,实验效果不太理想; 图2(c)所示的是单匝圆环线圈置于被磁铁吸附的电池上,这样圆环线圈底部贴在磁铁侧面做锥摆运动,该类电动机在实际应用中,容易出现线圈通常不能均匀持续运动,原因在于线圈和磁铁的摩擦力较大不容易克服,若增加电池数量或更换更强磁铁又容易使得线圈受力过大造成线圈脱离磁铁,不能良好接触,实验现象亦不明显．

图2 3种类型简易电动机示意图

2 创新简易电动机的设计与制作

2.1 设计原理

为解决上述简易电动机在物理教学应用中的不足,笔者经过长期的尝试与实践,设计出了一种新型的简易电动机．该简易电动机模型主要由单匝铝框、电池、钕铁硼磁铁构成,铝框顶部弯折处制成尖端放置于电池正极上,铝框底部制成与铝框所在平面垂直的圆环,圆环的直径略大于柱形磁铁的直径,两节电池之间和电池正极处加有环形磁铁作限位、连接导电之用,如图3所示．该简易电动机静止时,形成以尖端为支点的静止的“单摆”,若要使其工作,则只需轻轻向铝线框底部的圆环吹气或用手轻推圆环,运动过平衡位置的圆环内侧贴靠柱形磁铁(钕铁硼磁铁为良性导体),电路接通,铝线框受力如图4所示(为简便,图中未标出另外两个磁场一致的环形磁铁,实际效果增强),铝线框立即转动起来．由于“单摆”回复力作用,圆环内侧往复贴靠柱形磁铁,铝线框就持续转动起来．

1 铝环 2 铝线框 3 环形磁铁 4 支点尖端 5 电池 6 柱形磁铁图3 改进的简易电动机模型

图4 通电瞬间线框受力图

2.2 材料与制作

制作该新型简易电动机所需主要材料及其型号规格参数如表1所示．

表1 所需材料及其参数

注: 表中φ表示直径,l表示长度,d表示厚度(高度);铝线可用粗铜线代替．

制作安装要点如下.

(1) 选取1根直径2mm、长约42cm的去皮铝导线(可从常见家用铝电线中获得),先对折,再制作成图3中所示线框形状的铝线框,并在顶端中点弯折处钳制成尖端状．要求尖端支点两边的线框长度大致相等,铝线框底部的圆形线圈直径大约2.5cm,使之略大于柱形磁铁的直径1.6cm．

(2) 选取两节5号“南孚”牌电池,并用内径约5mm的环形钕铁硼强力磁铁将两节电池串联吸附固定形成电池组,在电池组的正极处再置入一枚内径约5mm的环形钕铁硼强力磁铁,为限制铝线框尖端在转动时不滑落;在电池组的负极放置柱形钕铁硼磁铁．注意根据磁极“同极相斥、异极相吸”的原理,调整并使得电动机构造中3处磁铁的磁场方向一致,因为一致的磁场对通电铝线框的作用力才能一致．

(3) 将铝线框底部圆环部分缓慢套入电池组,并使其顶部尖端置于电池组正极环形磁铁内孔之中,新的简易电动机就安装完成了,如图5(a)示．“万事俱备只欠东风”,这时只需要轻轻吹动线框底部铝环,或用手轻推线框使铝环靠在柱形磁铁上就立即转动起来,如图5(b)示．

图5 改进简易电动机的安装与调试

2.3 创新改进后的主要优点

本文改进的新型简易电动机在实际教学运用中实验现象突出,教学效果明显,除此之外,还具有以下优点.

(1) 该电动机转动过程中摩擦较小,转动频率较快,实验现象明显,尤其是避免了已有类似简易电动机中用粗金属丝做成的非闭合半圆形电刷,直接与柱形磁铁接触时摩擦较大、短路且转动不流畅的现象．

(2) 装置的整体结构性极强,采用两节电池竖直串联方式,由于电池正极磁铁限位孔和负极套环共同作用,线框转动时更不易脱落．且对制作精度要求不高,即使制作的铝线框及圆环在顶部支点两侧分布不均匀,该简易电动机仍然能稳定运转．更重要的是,制作时可以将线框尺寸再按比例放大数倍,做成大尺寸大直径的简易电动机,便于学生观察和分析,实验演示效果更“震撼”、更明显,完全灵活满足物理教学所需,这是已有类似简易电动机不能满足的．

(3) 方便快捷,安全高效．创新改进后简易电动机,克服已有类似电动机启动前常处于短路状态的现象,减少电池电能消耗,具有较高的安全性．同时采用多节电池连接,较之以往类似简易电动机,运转表现得更为持久有力．可根据实际需要随时增加电池数量,只需增加相应连接磁铁即可,无需连接导线,组装与拆卸一气呵成,可在数秒内完成,方便快捷．

此外,取材简便,成本低廉,也是本实验装置的另一特点．学生可亲自制作,该实验可作为学生课内外科学制作活动内容,激发学生物理学习兴趣,培养学生创新精神和实践能力．源于生活,高于生活,回归于生活,是提升中学生物理核心素养的重要实践路径,让学生充分体验生活中“低成本”物理实验带来的“大智慧”．

1 课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.物理(9年级全一册)[M].北京:人民教育出版社,2013.

2 刘伟. 制作简易直流电动机[J]. 物理实验,2006(12)：23-24.

3 陈铁松. 简易电动机的制作[J]. 物理实验,2001(06)：28.

4 刘剑锋,董艳辉. 最简单的电动机赏析[J]. 物理教师,2010(01)：25-26.

5 陈旭.简易电动机的理论分析与实验验证[J].大学物理,2013(8)：50-54.

2016-12-08)