自制“百变电机”

(江苏省南京市板桥中学,江苏 南京 210039)

“百变电机”取材简单,制作容易,可以用来演示初中物理课本上的多个实验,也可以让学生进行自主探究,激发学生的学习热情,培养他们的核心素养。

1 电机实验的重要性

在苏科版初中物理9年级下册第16章中三处出现了简单电动机和发电机模型。第一处是第45页“活动16.8 观察磁场对通电线圈的作用”，用漆包线绕成线圈,将引出导线两端的漆全部刮去后放入磁场,闭合开关,观察线圈将怎样运动(如图1)。第二处是第48页WWW中第4题，按图2所示方法把线圈两端引线上的漆刮去,通电后线圈将怎样转动？怎样让电动机连续转动？第三处是第55页WWW中第3题，将发电机与小量程电流表相连,使小风车转动,观察小量程电流表的指针是否偏转(如图3)。在一章中3处出现线圈与磁铁组成的实验装置,可见其在教学中的重要性。

图1

2 教材中实验存在的缺陷

多年来,学校实验室一直没有这部分内容的现成实验器材,给教学带来不便。教材上制作电动机或发电机模型的方法是用漆包线绕在火柴盒上4-6圈,从两端引出的漆包线直接作为转轴,由于线圈有一定的质量,转轴又细,线圈转动时非常不稳定,同时刮漆操作难度较大,费时费力,常常会因失败而告终,有时即使制作成功,演示效果也不明显。

3 自制“百变电机”

如图4所示，用废旧电话线绕在磁铁上制成线圈,把线圈两端引出的线头焊接在两根粗铜线上作为转轴,把两铜线轴插入中空的塑料管内,使两轴在同一直线上,以保证转动平稳，空心塑料管中间用木牙签隔开,让左右两轴彼此绝缘。转轴一端是全铜轴,另一端用塑料管套在A、B两个位置,把转轴分成两部分,在A、B之间用锉把铜轴磨掉一半,再用502胶将半圆柱木牙签粘在半铜轴上,形成半周导电、半周绝缘的轴,B、C之间为全铜轴。将线圈放在带有绝缘胶皮的铜支架上,在木板底座上放上强磁铁，就制成了该装置。此实验装置可以演示教材上所有与电动机或发电机相关的实验,故称之为“百变电机”。

该实验装置创新之处有以下4点。

(1) 如图4所示,在A、B间用锉把铜铀磨掉一半,另一半用木头牙签粘贴上,使其半周导电、半周绝缘,白色木牙签和铜柱体颜色区别明显,便于观察。

(2) 在图4中,B、C间是全铜轴、全周导电，A、B间为半周绝缘、半周导电，这样的设计便于控制线圈摆动或连续转动。

(3) 此装置中将线圈两边的铜线轴分别插入空心圆珠笔塑料管内,中间用木头牙签隔离,使两转动轴在同一直线上,可保证转动的平稳。

(4) 蹄形磁铁由于两磁极内的空间位置小,很难改变磁场强弱。而用方形磁铁，便于改变其与线圈间的距离,从而改变磁场的强弱。

4 “百变电机”的使用

4.1 观察线圈来回摆动现象

如图4所示,将转轴BC段接入电路,相当于图1中将引线两端的漆全部刮去,可观察到线圈来回摆动。而学生总认为把漆全部刮去后,线圈一直通电,一直受力,线圈会持续转动，但事实并非如此。这种认知上的冲突需要通过实验来激发,学生获得了真实体验,有了证据,才会心服口服。

4.2 观察线圈持续转动现象

如图4所示,将转轴AB段接入电路,相当于图2中将引线两端的漆刮去一半，闭合开关后,将观察到线圈持续转动的现象。

AB段中半周为导体(铜)、半周为绝缘体(木牙签)。将AB段接入电路时,线圈在转动一周过程中只有半圈通电,获得动力,在刚转过平衡位置后,线圈不再通电,线圈由于惯性就会持续转动下去。

4.3 演示直流发电机

如图5所示，将电源换成灵敏电流计,将A、B两位置之间的轴接入电路,用手(或电吹风)转(吹)动线圈,会发现灵敏电流表指针向一个方向偏转,且线圈转得越快,指针偏转的角度越大。

图5

4.4 演示交流发电机

将电源换成灵敏电流计,将B、C两位置之间的轴接入电路,用手转或电吹风吹动线圈,会发现灵敏电流指针向左、右两个相反方向来回偏转。

4.5 探究感应电流方向与线圈转动方向的关系

保持磁场方向不变,改变线圈转动方向,灵敏电流计指针的偏转方向会发生改变。

4.6 探究感应电流方向与磁场方向的关系

保持线圈转动方向不变,对调磁极,灵敏电流计指针偏转方向会改变。

4.7 探究感应电流大小与线圈转动快慢的关系

保持磁场强弱不变,线圈转动越快,灵敏电流计指针偏转幅度越大;反之,线圈转动越慢,则灵敏电流计指针偏转幅度越小。

5 结语

该实验装置操作方便,现象明显,体现了电和磁的统一。实验演示有利于激发学生学习兴趣,满足学生好奇心,使学生的核心素养得到提升。