语音控制的旋转式奥斯特实验器

2024-01-03浙江省海宁市行知初级中学314415姚忠根

中小学实验与装备 2023年5期

浙江省海宁市行知初级中学(314415) 姚忠根

1 浙教版实验方案存在的几个问题

奥斯特实验是现行中学物理教科书中的经典实验,为了方便演示,根据浙教版8年级科学教科书的实验方案,我们制作了集磁针、导线、开关、电源与支架为一体的手动式一体化奥斯特实验器。教学实践证明,手动式一体化奥斯特实验器存在以下几个问题。

1.1 电源短路

奥斯特实验需要一个大的导线电流,才能引起磁针明显偏转。按照课本上的实验方法用干电池短路来获得大电流,几次短路之后电池的电能就耗尽了,而且教科书上又说电路要避免短路,这里明显自相矛盾[1]。用学生电源可以获得较大的电流,但学生电源经常发生过载而断开电源导致完不成这个实验。

1.2 调整导线与磁针指向平行的操作比较麻烦

奥斯特实验要求磁针静止时和导线保持平行,由于实验器与桌面的摩擦力较大,需要用手把实验器抬起来做旋转操作,这样操作既不方便又不精准。

1.3 实验操作时对磁针有振动干扰

奥斯特实验需要等待磁针静止下来以后再通电观察电流对它的影响。按教材的实验方法在闭合开关时有可能通过导线或底板引起磁针的振动,而磁针振动就会影响实验观察,分不清磁针偏转是振动引起的还是电流引起的。

2 改进设计思路

2.1 避免短路设计

原则上可以采用大的电源电压(如12 V以上),再串联适当的电阻[2]的方式获得较大电流。但是大的电源电压成本较高,也较难小型化。我们的设计是在磁针上方形成多根同向电流导线束,从总体上增大同方向的电流强度。实际电路参数可以根据实验确定,用1节或2节1.5 V干电池,总电压1.5 V或3 V,串联15 Ω或20 Ω额定功率为0.5 W的电阻,避免了短路实验。

2.2 可旋转设计

奥斯特实验使用的磁针受地磁场影响,当磁针静止下来后是南北指向的。奥斯特实验的通电导线应当与磁针平行,以排除地磁场对磁针的影响。但实验演示前,实验器的导线方向并不一定是南北指向的,所以要让磁针与导线方向平行,就要把实验器旋转一定的角度。由于实验器与桌面摩擦力比较大,在桌面上用手旋转不太方便,而把实验器提起来旋转又控制不好旋转角度。因此,可以在奥斯特实验器底部安装一个转盘,转盘内装有滚珠,转动时摩擦力很小,可以很方便地旋转导线的方向,使导线与磁针指向平行。

2.3 智能语音控制

智能语音控制电流的通断和电流的方向,对减少实验干扰有很好的效果。奥斯特实验只有当磁针静止下来之后,再通电观察,才能确定磁针偏转是电流引起的还是其他偶然因素的触碰引起的。语音控制系统不直接接触实验器,实验时等磁针静止下来后,通过说话控制电流的通断与方向。我们利用天问TW-ASR语音控制PLC板(带微型喇叭)与2个自制的带LED指示灯的继电器模块控制导线电流,实验非常方便,效果也很好,对磁针几乎没有干扰。

3 改进设计图与实物

3.1 电路设计图

图1是改进版电路设计图,其中AB段导线部分是用单根导线同方向绕成的多股同向导线束,可以获得较大的同向电流强度。图2是其中AB之间这段导线的形成示意图,利用了由单根导线绕成的线圈的上边,AB段导线的总电流是多个同向电流之和,这样增大了同向电流强度;线圈的下边隐藏在奥斯特实验器盒子的中间偏下的木板夹层中。

图1 改进版奥斯特实验器控制电路图

图2 利用线圈的上边作为导线AB

当继电器模块1闭合时,继电器模块2同时断开。电流流向:电源A正极-A-B-继电器模块1-15 Ω电阻-电源A负极。当继电器模块2闭合时,继电器模块1同时断开。电流流向:电源B正极-B-A-继电器模块2-15 Ω电阻-电源B负极。

3.2 实物

图3和图4是制作出来的实物照片。

图3 俯视照片

图4 转盘式底座

4 实验过程与结果

针对奥斯特实验器编写了相应的语音控制程序,然后通过下载器将程序下载到TW-ASR控制板的单片机中。实验器的操作方法如下。

(1)旋转实验器,使导线与磁针的静止指向平行。

(2)闭合电源A与电源B的自带开关,闭合TW-ASR控制器的电源自带开关(图1中没有画出),可以听到欢迎词“欢迎使用奥斯特实验器,用奥斯特实验器唤醒我。”

(3)等待磁针彻底静止下来后,呼唤“奥斯特实验器”,此时实验器被唤醒。

(4)呼唤“电流从左边流入”,控制电流从左边流入的继电器闭合,相应的LED指示灯亮,同时AB段导线电流就从左边流入,磁针向一侧偏转(如图5所示)。

图5 电流从左边流入

(5)呼唤“电流从右边流入”,控制电流从右边流入的继电器闭合,相应的LED指示灯亮,同时AB段导线电流就从右边流入,磁针向另一侧偏转(如图6所示)。

图6 电流从右边流入

(6)呼唤“关闭电源”,2个继电器都关闭,AB段导线中就没有电流了,磁针恢复到原来静止的南北指向状态。

实验结果表明,磁针按不同的电流方向朝不同方向偏转,由于受到的磁力矩大,而摩擦力矩小,需要经过一定的振荡时间才能稳定下来。改变磁针的质量大小,可以发现当磁针质量变小,转动惯量也减小,所以,质量小的磁针容易快速稳定下来,但可见度要稍差。教学中可权衡利弊,选用适当大小的磁针(如图7所示),使得实验现象既容易较快稳定下来,又有较好的可见度。