手摇发电机工作机制及DIS辅助实验探讨

郑恬恬 张轶炳

摘 要：手摇发电机巧妙的结构设计，既能产生直流电也能产生交流电.通过剖析发电机的结构，挖掘产生两种电流的物理原理及集流环一环两用的构造原理;利用电流传感器及其数据系统进行发电实验，直观展示直流电和交流电的实验现象.这种既注重仪器设备物理原理及构造原理，又利用现代化设备改进传统实验的方法，对广大教师和学生的深度学习大有裨益.

关键词：手摇发电机;直流;交流;DIS;辅助实验

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）21-0051-03

基金项目：国家自然科学基金“西北民族地区科学探究教育绩效评价及影响因素研究”（项目编号：71663042）.

作者简介：郑恬恬（1998-），女，福建人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学研究.

通讯作者：张轶炳（1964-），女，宁夏银川人，硕士，教授，研究方向：物理教育.

普通高中教科书《物理》（选择性必修2）第三章“交变电流”中的“观察交变电流的方向”实验[1]，将两个反向并联的发光颜色不同的发光二极管与手摇发电机的两端相连，转动手柄，观察两个发光二极管的发光情况来判断交变电流方向的变化情况.但该手摇发电机存在以下两点不足：（1）可视性差，两种颜色的发光二极管交替发光的时间差非常小，实验现象不能够清晰展现，再加上无法判断电流大小的变化，影响了学生对交变电流规律的认识;（2）功能不足，只能产生交流电，无法产生直流电，学生无法进行交流电和直流电的对比分析学习.新设计的实验在手摇交直流发电机的输出端接入DIS数字化信息系统，利用多量程电流传感器和计算机软件的结合[2]，直观显示出交流电和直流电的图像，加深了学生对交变电流和直流电的感性认识.通过分析集流环的构造，将实物模型抽象概括为物理模型，建构集流环的立体模型图，运用分析与综合、抽象与概括、比较与分类等科学思维方法，对交直流发电机既能输出交流电，又能输出直流电的工作机制进行定性分析，深化学生对交直流发电机功能的认识.

1 实验仪器

1.1 实验仪器组成

实验使用到的仪器有手摇交直流发电机、导线、LW-E803型多量程电流传感器、数据采集器、USB数据线、计算机等.手摇交直流发电机的构造及各部分名称如图1所示，我们可将手摇交直流发电机的构造分为三部分：手轮、皮带和电枢构成动力系统;磁块、极靴、电刷和集流环构成感应系统;多量程电流传感器、数据采集器、计算机构成检验系统.

1.2 实验仪器构造原理

1.2.1 动力系统

动力系统为整个实验的动力部分，用手摇的方式转动手轮，通过皮带传动使电枢在磁场中转动起来，其中手摇轮是源动力，皮带起到传动的作用.

1.2.2 感应系统

在动力系统的作用下，电枢在磁场中转动，切割磁感线产生感应电动势，并在闭合回路中产生感应电流，产生的感应电流通过电刷集中到集流环上.另外，电刷前端有一弧形，加大了它与集流环的接触面积，减少电火花的产生.

1.2.3 检验系统

感应系统产生的电流传送到检验系统，在检验系统中，LW-E803型多量程电流传感器、数据采集器通过USB与计算机连接，通过观察图像检测回路中产生电流的特性.

2 实验原理分析

手摇交直流发电机是将机械能转换为交流和直流电能的装置，其原理与导体棒切割磁感线运动产生感应电动势的原理相同，都是电磁感应.线圈在磁场中转动切割磁感线产生感应电动势，线圈就相当于闭合回路中的电源，其中的非静电力是洛伦兹力.

图2是实验的原理图，图中有一对固定的永久磁铁N极和S极，在N极和S极之间转动着一个线圈abcd，是一个面积为S，匝数为N的线圈，它在均匀磁场B中以匀角速度ω绕中心轴转动，若t=0时，线圈平面的法线n平行于B，则在任意t时刻，线圈处在如图2（b）的位置，n与B间的夹角为θ=ωt，此时，通过线圈的磁通量为

Ψ=NΦ=NBScosθ=NBScosωt（1）

所以由法拉第电磁感应定律，可得线圈中的感应电动势为

e=-dΨdt=NBSωsinωt=Emsinωt（2）

其中，Em为感应电动势的最大值，这是一个大小和方向都随时间发生周期性变化的电动势.

交直流发电机中的集流环上有条凹槽，它把集流环分成了互相绝缘的两部分，如图3（b）和（c）所示，右半部分2与蓝导线相连，左半部分1与红导线相连.可以直观地看到1和2一半是完整的圆环，一半是半环，这正是交直流发电机既能输出交流电又能输出直流电的原因.

2.1 产生交流电

将两电刷夹在集流环两端，如图3所示，在线圈转动过程中电刷与集流环相互接触的部位始终没有变，不改变电流的方向，回路中电流的方向与电动势的方向相同.

设闭合回路的总电阻为 R 时，通过闭合回路中的感应电流为

I=eR=1RNBSωsinωt=Imsinωt（3）

其中， Im 为感应电流的最大值.此时回路中电流的大小和方向都随时间发生周期性变化，是交流电.

2.2 產生直流电

将两电刷夹在集流环中央，即两电刷平行放置，如图4所示，在线圈转动过程中原本与集流环左半部分1接触的上夹片A，与右半部分2接触的下夹片B，当线圈转过中性面，即遇凹槽后上夹片A与右半部分2接触，下夹片B与左半部分1接触;再次转过中性面时，即再遇凹槽后上夹片A又变成与左半部分1接触，下夹片B也变成与右半部分2接触，说明线圈每转过一次中性面，即每遇凹槽一次，两个半环交替地与两个电刷接触，电流方向就发生改变了，因此在电刷A与B间输出的是方向不变的直流电.

此时通过闭合回路中的感应电流变为

I=eR=1RNBSωsinωt=Imsinωt（4）

此时回路中电流的方向不随时间发生变化，是直流电.

3 实验步骤

实验时先连接检验部分的电路，并检查电路是否连接完好;连接电刷和集流环，使其接触良好;匀速摇动手轮，即可输出电流，摇动速度不要太快，以免输出电压过高;改变上下电刷与集流环的接触位置，再匀速摇动手轮，观察现象.

4 实验现象分析

实验的实物图如图5所示，将多量程电流传感器接入检验电路，用来测量电路的电流值，打开数字化通用软件的数字显示窗口，进行校零后，打开指针显示窗口观察指针的偏转情况，最后在曲线窗口绘制回路中电流的波形图.

将电刷夹在集流环两端，匀速摇动手轮可以看到指针显示窗口指针会始终先由零逆时针逐渐增加到一定值，之后减小为零，再由零顺时针逐渐增加到一定值，之后减小为零，即指针始终会在零刻度线附近摆动，如图6所示.图7是此时电流随时间变化的图像，可以直观地看出此时回路中电流近似是大小和方向随时间做周期性变化的交变电流.

将电刷夹在集流环中间，顺时针匀速摇动手轮可以看到指针始终由零顺时针逐渐增加到一定值，之后减小为零，如图8所示.图9是此时电流随时间变化的图像，可以直观地看出此时回路中电流近似是方向不随时间变化的脉动直流电;反向逆时针匀速摇动大轮可以看到指针始终由零顺时针逐渐增加到一定值，之后减小为零，如图10所示.图11是此时电流随时间变化的图像，对比图9可以发现此时电流反向变化，但仍然是直流电.

5 结束语

手摇交直流发电机功能较为齐全，电流波动性较好，操作简单易懂.实验中借助集流环的立体模型图剖析推理出此发电机既能产生交流电又能产生直流电的原因，配合DIS数字化系统可以直观地得出电刷夹在集流环不同位置时电流随时间的变化规律，既体现科技的力量又增强了趣味性，使复杂的数据处理工作变得轻松，有迹可循，实验现象更加丰富、全面和直觀，学生可以亲历探究交流电和直流电的过程，逐渐构建起交变电流和直流电的物理概念.但本实验仍无法实现线圈的匀速转动，也无法产生匀强磁场.如果条件允许，可以将手摇大轮替换成电动机带动线圈匀速转动，将铁氧体材料替换成两个平行的电磁铁产生匀强磁场[2].

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理（选择性必修2）[M].北京： 人民教育出版社，2020.

[2]廖永容，杨晓梅.手摇发电机实验的改进[J]. 物理教师，2019，40（01）： 60-61+64.

（收稿日期：2021-07-29）