自制“電生磁”實驗教具的設計與制作

李 會 高 軍

(曲靖師范學院物理與電子工程學院,云南 曲靖 655011)

子曰:知之者不如好之者,好之者不如樂之者．在教育上,為師者要看學生樂于哪一方面,就在哪方面培養他,這才是師道的原則．物理學是一門實驗科學,也是一門極富洞察力和想象力的科學．新穎、理性的物理實驗能形象生動地展現自然現象背后的本質、規律和內在聯系,是培養學生樂學的重要載體．當今時代的日新月異,學生身處其中,體驗感也正發生著微妙的變化．為此,筆者借助智能手機軟件對人教版初中物理教科書“電生磁”一節的電生磁實驗教具[1-3]進行了創新設計與制作,經過反復實驗和教學實踐,發現本教具能較好地體現“知之者不如好之者,好之者不如樂之者”的原則,對激發學生學習興趣及開展探究式教學皆有較好的啟發意義．

1 問題的提出

教材設計了通電直導線和螺旋管的電生磁實驗．通電直導線電生磁實驗如圖1所示．通電螺旋管的電生磁實驗如圖2所示．通電直導線電生磁實驗是基于著名的奧斯特實驗進行設計的,實驗操作簡單,結論易得,符合學生認知規律,但是實驗現象不容易被大多數學生明顯觀察到,實驗演示效果不佳．通過鐵屑來研究通電螺旋管的磁場來間接演示了電生磁,此實驗操作受空間和儀器本身約束較大,實驗現象需近距離觀察或者投影放大,因此在課堂上演示實驗的觀察效果與教學效果均不理想．教材從“電流的磁效應”過渡到“通電螺旋管的磁場演示實驗”,是通過提出問題“為什么手電筒在通電時連一根大頭針都吸不動?”來過渡的,然而學生實際生活中對手電筒了解不多,缺乏充分的認知基礎,對手電筒在通電時吸不吸得動一根大頭針也缺少實驗體驗的過程．為彌補上述不足,筆者設計并制作了一套利用智能手機實現無線控制的電生磁實驗教具,該實驗教具融入了“數字化、生活化、趣味化”元素,在開展科學探究的學習體驗過程中,能更好地激發學生深度的科學探究欲望,提高實驗教學效果．

圖1 通電直導線的電生磁實驗

圖2 螺旋管的電生磁實驗

2 教具的設計特色

本實驗需要220 V的交流電作為電容的充電電源,考慮到教具的安全性,該實驗教具在設計時采用使用智能手機與89SC51單片機串接的藍牙模塊配對連接,從而實現智能手機對實驗教具的遠程無線操控，教具設計流程如圖3所示．

圖3 教具設計流程

用智能手機從百度上下載并安裝一款名為“藍牙小車”的手機APP軟件,軟件如圖4所示．先將編好的程序寫入單片機中,接著打開手機里的“藍牙小車” 軟件,軟件操控界面如圖5所示．點擊“搜尋設備”,找到單片機連接好的藍牙模塊,并完成配對連接．最后便可以利用智能手機上安裝的“藍牙小車”APP軟件對繼電器等實驗教具各個元件進行控制．具體操作如下.

當點擊“藍牙小車”的“←”鍵時,軟件會向單片機發送“0x01”的指令代碼,使得舵機順時針方向轉過15°,完成舵機的順時針轉向．當點擊“→”鍵時,軟件會向單片機發送“0x03”的指令代碼,使得舵機逆時針方向轉過15°．當點擊中心鍵時,繼電器1接通,開始對電容進行充電．當點擊“↓”鍵時,軟件會向單片機發送“0x02”的指令代碼,繼電器1斷開,電容完成充電．當點擊“↑”鍵時,軟件會向單片機發送“0x04”的指令代碼,繼電器2接通的瞬間又快速斷開,就這樣完成了智能手機遠程無線操控實驗教具的獨特設計．

圖4 “藍牙小車”軟件圖5 軟件操控界面

3 教具的制作

3.1 材料準備

藍牙小車APP軟件;漆包銅絲(直徑1 mm,長度7-8 m);塑料管(直徑4 mm,長度14 cm);502強力膠1支;杜邦線數根;Futaba s3010舵機1個;電容3個(450 V,220 μF);KBJ 2510扁型整流橋堆1塊(25 A,1000 V);SRD-05VDC-SL-C小型五腳功率繼電器2個;STC89C51單片機1片;JY-MCU HC-06藍牙透傳模塊1片;電阻1個(100 Ω);鐵釘(直徑2 mm,長度25 mm);電線數米;長木板(長40 cm,寬8 cm)．

3.2 制作要點

(1) 整流橋堆的連接.

將一根帶有插頭的兩孔電源插座線的一端剪開,把里面的兩根導線拉出,用剝線鉗分別把兩根導線的絕緣塑料層剝掉使其露出0.5 cm的銅線,將兩段長為1.5 cm的熱縮套管分別套在兩根導線上,最后將剝好的銅線用焊錫焊接到KBJ2510扁型整流橋堆(下文簡稱整流橋堆)的兩個交流接線柱上,焊接好后將事先套好的熱縮套管移到焊接部位,再用熱風槍對熱縮套管進行熱處理,使其收縮固定在焊接部位,做好絕緣保護工作．

(2) 電容串聯.

取兩段長1.5 cm的導線,分別將兩段用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣層,然后用這兩段導線將3個電容的“-”極焊接在一起;取另外兩段長1.5 cm的導線,同樣將兩段用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣層,然后焊接到這3個電容的“+”極上．

(3) 整流橋堆和負載的焊接.

從整流橋堆的“-”極接線柱焊接1根導線,在焊接的位置用熱縮套管套上并用熱風槍進行熱處理,導線的另一端用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣塑料,將其焊接到3個串聯電容A端的“-”極上,從整流橋堆的“+”極焊接1根導線在焊接的位置用熱縮套管套上并用熱風槍進行熱處理,導線的另一端用剝線鉗剝掉0.5 cm的絕緣塑料,在該導線上套上一段2 cm的熱縮套管,之后將導線與電阻(100 Ω)的接線柱焊接起來,再把熱縮套管移動到焊接的位置,用熱風槍對套管進行熱處理．

(4) 繼電器的焊接.

取1根導線,將它的一端與電阻(100 Ω)的一端焊接在一起,并用熱縮套管套在焊接的位置,并做熱處理;導線的另一端用剝線鉗剝出0.5 cm 的導線,將其接到繼電器1的“公共端”;再取1根導線分別將兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,一端接在繼電器1的“常開端”,另一端接在電容A端的“+”極上;通過控制繼電器1的通斷來控制整流橋堆與電容“+”極的通斷,從而實現智能手機無線控制電容的充放電．

再取1根導線,將它的兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,導線的一端焊接到電容B端的“-”極,另一端焊接到線圈的一個接線柱上;再把另一根導線兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,一端焊接到電容B端的“+”極再將導線的另一端連接到繼電器2的“公共端”,取1根導線兩端各剝掉0.5 cm 的絕緣層,一端接入繼電器2的“常開端”用于控制電容對線圈的放斷電,再將導線的另一端焊接到線圈的另一端．

(5) 線圈的制作.

取1根塑料管(直徑4 mm,長度14 cm),將漆包銅絲緊密地纏繞在塑料管上,在纏繞之前留出3 cm的銅絲用做接線柱,并將作為接線柱的銅絲用砂紙將漆打磨掉,大約12匝為一層,共7層左右,每繞完一層用502膠水將其固定防止實驗時線圈脫落,纏繞完后,留出3 cm的銅絲用做接線柱并用砂紙將漆打磨掉．

(6) 實驗教具的組裝.

將繞好的銅線圈用透明膠帶固定在舵機的支架上,防止舵機在轉動的時候,線圈松動或脫落,再將舵機固定在長木板一側上,將電容、繼電器、單片機、藍牙模塊和電阻用熱軟膠固定在長木板上,完成電生磁實驗教具的制作,教具如圖6、圖7所示．

圖6 電生磁實驗教具實物圖(側視)

圖7 電生磁實驗教具實物圖(俯視)

4 實驗原理

根據電流的磁效應,瞬變電流通過電線圈可以產生瞬態磁場．當交流電通過整流橋堆整流得直流電時,用智能手機上的“藍牙小車”軟件給單片機發送相應的指令從而控制繼電器1的通斷給電容充電,電容充電完成后再使用“藍牙小車”智能手機軟件向單片機發送相應的指令來控制繼電器停止電容充電;之后用智能手機上的“藍牙小車”軟件發送相應的指令控制繼電器2對繞在塑料管外的線圈進行瞬時放電,這時線圈會產生強大的瞬態磁場,相當于通電螺線管,就相當于一個條形磁鐵．它產生的瞬時磁場可以使鐵釘磁化,磁化后鐵釘的磁極方向與通電螺線管的磁極方向相反,所以鐵釘放入螺線管的位置決定鐵釘的飛行方向．

如圖8甲所示,當鐵釘沒有完全放入螺線管時,露在通電螺線管外部的一端會被磁化為與通電螺線管尾部相反的異性磁極,處在通電螺線管內部的鐵釘會被磁化為與通電螺線管頭部相反的異性磁極,因為相同磁極相互排斥,不同磁極相互吸引的緣故,鐵釘就會被吸進螺線管中去,同時螺線管斷電失去磁性,鐵釘由于慣性會繼續保持原有的運動狀態以一定的速度向螺線管的頭部方向發射出去．

如圖8乙所示,當鐵釘完全放入螺線管,靠近螺線管尾部的一端會被磁化為與螺線管尾部相反的磁極,而靠近螺線管的頭部的一端則被磁化為與頭部相反的磁極,由于異性磁極相互吸引的緣故,鐵釘將會向尾部方向運動,由于慣性,鐵釘會繼續保持原有的運動狀態以一定的速度向螺線管尾部方向發射出去．

圖8 鐵釘發射原理示意圖

5 實驗演示及實驗結論

打開智能手機“藍牙小車”APP軟件,如圖6所示,點擊“↑”鍵,發射鐵釘．觀察到鐵釘將距離“槍口”6～7 m遠的“靶”氣球打爆;將“靶子”換成1 mm厚的硬紙板,重復上述操作,觀察到硬紙板被打穿．教師提出“為什么鐵釘具有這樣的威力?”問題,引導學生分組討論“鐵釘具有強穿透力的原因”,分析歸納出“電流具有磁效應,且可以被觀察到”的實驗結論．

6 結語

本實驗教具是利用智能手機、生活中的易得材料開發出來的,教具采用智能手機遠程控制,操作簡單、安全且實驗效果好．此外,實驗現象的本質需要經歷一定的分析才能得到,使得本教具在教師開展科學探究時能發揮更大的價值．

參考文獻：

1 王富明.低壓電磁炮教學演示儀[J].教學儀器與實驗,2013,29(12):46-47.

2 郭俊冀.教具電磁炮的制作原理與改進[J].中學物理,2012,30 (13):27.

3 吳雯.一種改進的電流磁效應演示裝置[J].實驗教學與儀器,2013, 30 (9):52.