從“創(chuàng)意電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制作”來看物理知識(shí)的內(nèi)化

何麗萍

（廣州市第四十一中學(xué) 廣東 廣州 510250）

1 選題 提出問題

“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受安培力的作用”，物理課堂上教師說電動(dòng)機(jī)的原理就是磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力使得電動(dòng)機(jī)上的線圈運(yùn)動(dòng)，可是學(xué)生平時(shí)看到的馬達(dá)都是被厚厚的機(jī)殼包嚴(yán)實(shí)的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)看不到，且根本就觀察不到它與磁場(chǎng)的關(guān)系.課后我們找來幾個(gè)四驅(qū)車及舊風(fēng)扇的馬達(dá)，拆開來看，確實(shí)有線圈，可是它的線圈的運(yùn)動(dòng)情況繞法非常復(fù)雜，線繞得可以十字交叉，且日常電器用的是交流電，到底怎樣受安培力的沒有辦法分析.

教師課堂上講授的方形線框由于上下兩條邊的電流方向而導(dǎo)致置于相同的磁場(chǎng)中，兩邊的安培力方向相反形成力矩，使得線框轉(zhuǎn)動(dòng)，一點(diǎn)也看不出，那怎樣的一個(gè)裝置可以直觀地說明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理呢？實(shí)際生活中的電動(dòng)機(jī)都是用的交流電，演示實(shí)驗(yàn)用的是1.5V 的電池，有好辦法讓直流電也使線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)嗎？能否探究出更好的辦法去呈現(xiàn)所學(xué)的原理知識(shí)？直流電與交流電的區(qū)別在哪里？怎樣用高中所學(xué)的知識(shí)來解釋我們實(shí)驗(yàn)當(dāng)中看到的現(xiàn)象并進(jìn)行解釋.這些非常有趣，學(xué)生非常期待做這樣的一個(gè)電動(dòng)機(jī)，既可以運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)，又可以為學(xué)生提供一點(diǎn)直觀的實(shí)驗(yàn)裝置，特別是有的學(xué)生在這章的學(xué)習(xí)當(dāng)中對(duì)空間的想象較差，學(xué)生覺得小制作可以幫到他們，所以有3位優(yōu)秀的學(xué)生成立了一個(gè)3人小組進(jìn)行探究.

2 準(zhǔn)備的器材

電池盒，直徑不等的漆包線，泡沫板，鐵線，銅線，電池，磁鐵，導(dǎo)線若干，開關(guān)，小刀，回形針，尖嘴鉗，小燈泡，二極管等.

3 探究的過程

根據(jù)所學(xué)的《物理·選修3－2》第三章的知識(shí)，他們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，并按步驟進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)的制作.反復(fù)地進(jìn)行改進(jìn)，初期的制作結(jié)果如圖1所示.

圖1 學(xué)生初期制作的電動(dòng)機(jī)

小組的成員在做實(shí)驗(yàn)的過程中，突發(fā)奇想，他們?cè)谥Ъ軆啥瞬⑸狭艘粋€(gè)小燈泡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更好玩的現(xiàn)象，燈泡原來是亮的，可是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中卻不斷地閃爍，如圖2所示.

圖2 學(xué)生學(xué)習(xí)小組在做電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)

他們非常好奇這時(shí)候流經(jīng)燈泡的電流是不是交流電，那么電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來也是交流電驅(qū)動(dòng)的嗎？于是他們又對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，安裝了兩個(gè)反向的二極管，說明燈泡亮起來和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是靠直流電驅(qū)動(dòng)的，最終他們的創(chuàng)意電動(dòng)機(jī)作品如圖3所示.

圖3 學(xué)生的創(chuàng)意電動(dòng)機(jī)作品

具體實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）將大約2m 長(zhǎng)的漆包線繞成一個(gè)直徑約為4cm 的圓形線圈（見上圖1），線圈的首尾各留出15 m m 和30 mm 的一段，并用它們把線圈扎緊.直徑越小，匝數(shù)越多，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快，因?yàn)榘才嗔υ酱螅|(zhì)量又小.

（2）盡量將圓形線圈的各匝靠近.如果可能的話，可以剪下幾小截漆包線將線圈環(huán)綁在一起（不用擔(dān)心，漆包線是絕緣的）.我們嘗試過用直徑比較大的漆包線來做線圈，但是由于兩個(gè)半圓的重量差別大，使得線圈會(huì)很難轉(zhuǎn)動(dòng)起來.

（3）將回形針或者銅線做成支架撐起線圈（見圖3）.用把回形針及線圈固定在泡沫板上.然后將電池接到支架的兩端，以便通過它給整個(gè)線圈電路供電.

（4）線圈的末端是自由地搭在兩個(gè)支架上的，你可以任意彎曲支架以防線圈掉下.支架一定要導(dǎo)電性能好的材料，我們?cè)眠^鐵線來做支架，可是由于氧化得厲害，它根本不通電，花費(fèi)了大量的時(shí)間做排查，也可以用回形針代替支架，它的導(dǎo)電性能最好，可是它體積小，支持線圈時(shí)不夠牢固.

（5）現(xiàn)在進(jìn)入最難的一步！他們把漆包線兩端的絕緣介質(zhì)清除掉，這樣電路才能有電流通過.這層絕緣介質(zhì)是可以清除掉的.比如你可以用一個(gè)小刀來刮下絕緣層.注意如果你把銅絲上所有的絕緣介質(zhì)都清除掉的話，線圈將不能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩在一次旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)將會(huì)反轉(zhuǎn).有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決辦法，那就是只清除一半漆包線的絕緣層.注意是清除與支架接觸部分（即線圈兩端的同一半邊的油漆），這樣才能既起到換向作用，但是又是通電的.

（6）小燈泡在沒有放上線圈之前是穩(wěn)定地發(fā)亮的，可是在放上線圈的那一瞬間就暗了下去，隨著線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)加快，小燈泡閃爍的頻率就越高.那么小燈泡發(fā)光的電流是否是直流電呢？電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中是否使得電路中有交流電使得小燈泡發(fā)光呢？

（7）找兩個(gè)二極管正負(fù)反向地并聯(lián)在支架兩端，我們看到的現(xiàn)象是線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只是高的那只二極管在閃爍，當(dāng)我們將電源的正負(fù)調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)只是矮的那只在閃爍.二極管具有單向?qū)щ娦裕@就足以證明燈泡發(fā)亮不是交流電的原因，如果是交流電兩只二極管會(huì)交替地閃爍.

（8）至于二極管閃爍的原因可以用學(xué)過的全電路歐姆定律來解釋，當(dāng)線框放上支架通電時(shí)與燈泡是并聯(lián)的關(guān)系，會(huì)使得外電路的等效電阻變小，干路電流變大，路端電壓變小，既燈泡的電壓變小，實(shí)際功率減小，看到變暗，線框由于慣性轉(zhuǎn)到有油漆的一側(cè)時(shí)，線框斷路，燈泡兩端的電壓變大，線框轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中線框不停地與燈泡并聯(lián)或斷開交替著，燈泡的電流的大小不斷變化，看到亮暗交替，不斷閃爍，但電流方向沒變，即不是交流電.

4 活動(dòng)反思

（1）我們教與學(xué)的物理知識(shí)非常有用；

（2）本創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)說明電動(dòng)機(jī)確實(shí)是靠安培力轉(zhuǎn)動(dòng)的；

（3）通過活動(dòng)，學(xué)生對(duì)安培力的大小方向、全電路歐姆定律、交流電、二極管單向?qū)щ娦缘任锢韱栴}有了更深刻的體會(huì)；

（4）看似很簡(jiǎn)單的東西，當(dāng)動(dòng)手去做的話是有很多問題需要開動(dòng)腦筋去解決的，伴隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，可以獲得很多靈感，使得實(shí)驗(yàn)可以不斷改進(jìn)；

（5）在活動(dòng)的過程中最關(guān)鍵的是要邁出第一步，有了想法后一定要?jiǎng)邮肿觯嘈抛约嚎梢越鉀Q問題；

（6）實(shí)驗(yàn)成功后，學(xué)生將作品送給老師，覺得這樣可以幫到其他同學(xué)和師弟師妹，這真正做到愉快學(xué)習(xí)、教學(xué)相長(zhǎng).