交流电产生原理的实验装置

浙江省温州市龙湾区教师发展中心(325011) 孔兴隆浙江省温州市龙湾区永强中学(325024) 王建浩

人教版高中物理《交变电流》中的“做一做”演示实验(实验装置如图1所示)存在一些弊端:①装置体积过小,教学演示时后排学生观察不到装置结构,线圈形状与教学中的线圈图示也不匹配;②观察不到感应电流大小的连续变化;③未能演示正弦式交变电流的图像。针对该实验装置存在的不足,笔者对交变电流产生原理的实验装置进行了改进,观察效果较好。

图1 演示实验装置

1 器材选择

长约32 cm直径为10 mm的不锈钢空心管1根,150 mm×100 mm铁氧体普通磁铁4块,10 mm厚及3 mm厚的透明有机板若干,长50 cm直径为6 mm实心不锈钢管1根,直径为0.45 mm的漆包线若干,直径为30 mm的铜片轴承2个,直径为4 mm的螺帽及配套螺丝若干,演示用电流表1只,导线若干。

2 实验装置的构造与制作

实验装置的构造图如图2所示,包括手摇发电机和交流电展示架。其中手摇发电机包括基板和磁铁架,磁铁架对称设置于基板。

(1)按照图2所示结构图进行底座及支架制作。

(2)进行线圈制作,利用直径为3 mm的透明有机线圈尺寸进行切割,用氯仿将材料焊接后放好不锈钢转轴,取直径为0.45 mm的漆包线绕制1 000圈左右,裁取250 mm×3 mm×3 mm透明有机板2块,按照图3所示示意图进行打孔和安装发光二级管,接上拔动开关,再接上线圈漆包线接头,另将外接线从转轴的另一端穿出。

图3 线圈上下外装发光二级管示意图

(3)取350 mm×450 mm×3 mm透明有机板,按照图4所示示意图钻孔安装发光二级管,并接好电路,作为外装发光电路输出。

图4 外显示发光二级管示意图

(4)取150 mm×100 mm铁氧体普通磁铁2块,300 mm×100 mm 1块木板,按磁铁极性,安装在木板上,另裁2段长50 cm直径6 mm的实心不锈钢管和2 mm×2 mm不锈钢角铁,进行折角按320 mm×105 mm长方形用风焊焊接后,安装长250 cm直径为6 mm的实心不锈钢管,安放2块150 mm×100 mm铁氧体普通磁铁,为线圈上方磁铁支架。

(5)按装置结构图(如图5所示)将导电圈安装在转轴上,安装好电刷、接线柱,及转动装置支架和转轮,进行总装与调试。装置实物图如图6所示。

图5 交变电流发电机原理演示装置结构图

图6 交变电流发电机原理演示装置实物图

3 实验装置的演示使用

本实验装置用于中学物理教学时演示简单的交流发电机的构造及交流电产生原理。

3.1 演示发光二极管的发光

先观察线圈边缘的二极管交替发光情况,再观察外电路发光二级管交替发光情况。观察到线圈转动过程中二级管交替发光,说明本实验装置能产生电流,且电流方向在发生变化。

3.2 演示用电流计左右偏转情况

(1)观察到线圈转动1周,电流计左右偏转各1次,说明电流方向发生了变化。

(2)观察不同位置线圈转动时电流计偏转大小。①中性面位置时电流计几乎不偏移,电流很小;②线圈平向于所转方向平衡位置,电流计偏转最大,电流最大;③中性面与平行位置之间,电流计有偏转,其偏转幅度在0到最大值之间的位置。

(3)用电压传感器及数字采集器演示交流电的电压图像,如图7所示。

图7 电压图像

4 实验装置的优点

通过设置交流电展示架,演示者在手摇发电机进行手摇驱动时,手摇发电机产生正弦波型的交流电,同时该交流电将交流电展示架上的第1个LED灯珠点亮,由于第1个LED灯珠的正弦波型布置,因此其点亮后,可以直接给学生展示交流电的波形,实验效果观察直观,学生学习兴趣高。本实验装置还有以下几个优点:①结构简单,部件可拆可组装,易于操作,性能稳定,实用性强;②教具设计新颖,构思巧妙,在信息技术与传统实验整合方面有所创新;③教具所示实验内容符合科学原理,有利于科学学习,有利于实验教学。