动手自制教具 给课本插图装上活动的翅膀——以“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”为例

吴庆华

(江苏省沭阳高级中学,江苏 沭阳 223600)

课本的插图蕴含着大量物理信息,结合课本插图,利用自制教具进行实验创新,给课本插图装上活动的翅膀,不仅可以激发学生的学习兴趣,还可以突出教学重点,突破教学难点,高效培养学生的核心素养．本文以人教版普通高中课程标准教科书《物理》选修3-2“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”为例,介绍具体做法．

1 利用课本插图,自制高频金属加热与熔化器,突出教学重点

图1

涡流的概念及其应用是本节课的教学重点,图1是课本26页真空冶炼炉的插图,涡流的教学可以参照图1自制实验教具,演示利用涡流加热金属,将抽象的理论形象化．

1.1 制作过程

(1) 将铜导线绕成的螺线管,制成加热器如图2．

(2) 将220 V、50 Hz交变电流转变为48 V直流电的整流设备和48 V直流电转变为高频(10 kHz)交流电的变频设备组合,构成高频交流电源．

(3) 水泵和风扇为电源散热．

(4) 螺线管接高频交流电源．

制成的高频金属加热与熔化器,如图3．

图2

1.2 使用方法

将铁片放入通电铜管绕制的螺线管内部,本来很凉的铁片在几秒内变红,加热铁片效果如图3所示．让学生思考:铁块为什么会变红?

本实验让学生获得真实且震撼的印象,激发学生的好奇心和学习兴趣,从而引入涡流的概念．结合本实验,从理论上分析涡流的产生及其热效应,突出教学重点．

2 利用课本插图,自制电磁阻尼演示器,突破教学难点

图4

图5

电磁阻尼实例分析是本节课的教学难点,图4是课本28页课后习题的插图,电磁阻尼教学可以参照图4,自制管式电磁阻尼演示器,如图5,供分组实验用,让学生动手完成．

2.1 实验器材

铝管(100 cm×2 cm),玻璃管(100 cm×2 cm),磁铁,铁块．

2.2 使用方法

学生做3个对比实验: ① 让磁铁在玻璃管中下落,② 让普通铁块在铝管中下落,③ 让磁铁在铝管中下落,3根管的长度相同,分别记录3种情况下物块下落的时间．

观察3个不同的实验现象:磁铁在铝管中下落时间长达9 s,而铁块在铝管中下落、磁铁在玻璃管中下落较快,时间少于0.5 s．

为什么磁铁在铝管中下落很慢?而另外两个下落得很快?学生自然会产生疑问:为什么会出现这样的现象呢?引导学生利用的电磁感应知识来分析:磁铁运动,在铝管中产生变化的磁场,激发感生电场,铝管自成回路,形成涡旋状感应电流,即涡流,涡流的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化,即阻碍磁铁的运动,所以磁铁下落慢．通过演示和理论分析,让学生感性认识基础上加深对电磁阻尼概念及本质的理解,有效突破本节课的教学难点．

2.3 演示开口铝管实验和演示直角铝片实验

图6

图7

让磁铁在开口铝管下落,如图6,观察下落的时间．再让磁铁在直角铝片上下滑,如图7,观察下落的时间．可以观察到磁铁在开口铝管中下落和磁铁在直角铝上下滑,仍然较慢．

设计本实验的目的是让学生体会,并非只有管状物中才产生涡流,开口的铝管和直角铝片中也能形成了涡流．根据电磁感应定律,由于导体形状不同,有效面积发生变化,因而磁通量的变化率不同,涡流的强弱不同．

3 利用课本插图,自制电磁驱动演示器,提高演示实验的可视度

电磁驱动的实例分析是本节课教学的又一个难点,图8为课本第27页电磁驱动的插图,实验室提供演示的线框尺寸较小,可视度低．自制的电磁驱动演示器的线框,尺寸大,可视度高,如图9．

图8 图9

3.1 制作过程

(1) 用木板(500 cm×120 cm×30 cm)作底座,用铁皮制成摇把固定支架,把铝框做成的支架固定在有转轴端的木条底座上,在顶端打孔,将不锈钢钢条穿过小孔并固定在支架上,制成底座．

(2) 用铁皮、钢筋制成一个比铝框稍大的U型框和摇把,用螺母将U型框与摇把固定连接,安装在支架上,将钕铁硼强磁体安装在U型框上,转动摇把能形成旋转磁场．

(3) 在方形铝材上锯下一个铝框(110 cm×110 cm×10 cm),用塑料做一同样大小的框,从中间位置打孔,打孔处套上凹凸塑料垫圈(绝缘),用304不锈钢条穿过孔,让框子可以自由转动．

3.2 使用方法

(1) 转动摇把使U型框形成变化的磁场,处于其中的闭合铝框也随着转动起来,这就是电磁驱动．

(2) 将上述铝框换为塑料框,旋转磁铁,塑料框不转动,这说明非金属材料在磁场中不能产生感生电流,无法形成电磁驱动．

让学生观察、比较铝框和塑料框在旋转磁场中的运动情况,引导学生分析铝框转动的原因,生成电磁驱动概念,理解其本质．

3.3 自制鼠笼式电动机

电动机是电磁驱动重要的应用,图10为课本28页交流电动机的插图,把图9的铝框换成铝质鼠笼,便是鼠笼式电动机,如图11．利用三相交流电产生旋转磁场,就像图11中旋转的磁铁的磁场一样,驱动线圈转动,这就是异步电动机原理．

这样配置的线圈，连接到三相电源时能产生旋转的磁场

一种交通感应电动机的结构

图10

图11

设计鼠笼式电动机教具做实验的目的,是让学生认识物理模型在科学技术发展中的重要作用,感受科学向技术转化的过程．

根据课本插图,动手自制教具,并非是一帆风顺的,需要反复制作、实验、修改、研讨,最终才能制作完成．但办法总比困难多,可以照原图做,可以放大做,可以变通做,等等．只要勤于动手,方法得当,就一定能够制造出合适的教具,给课本插图装上活动的翅膀．