簡易電動機模型的設(shè)計與制作

(湖南省長沙市怡雅中學,湖南 長沙 410118)

1 引言

在科技高速發(fā)展的時代背景下，如何改變當前以課堂講授、課后做題為主的傳統(tǒng)物理教學模式，使其適應(yīng)時代發(fā)展，真正培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的分析問題、動手實踐能力，需要我們一線教師主動作為，運用多種資源，如生活中容易取得的物品去探索物理原理，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

筆者根據(jù)人教版九年級物理教科書第二十章“電與磁”第四節(jié)有關(guān)電動機制作的說明和示意圖制作電動機模型時，因為結(jié)構(gòu)原因容易發(fā)生線圈跳出支架、磁場偏弱而不能持續(xù)轉(zhuǎn)動等性能不穩(wěn)定問題，教學演示效果不理想。而根據(jù)全國教學儀器標準化技術(shù)委員會2013年頒布JY/T-0022-2011標準生產(chǎn)的臥式和立式小型電動機實驗器，在實際教學演示使用過程中，均存在永磁鐵容易松動脫落、電刷容易發(fā)生形變而導致電樞線圈和整個電路斷路的問題，并且這兩種電動機功率較大、結(jié)構(gòu)復雜。

2 簡易電動機模型的設(shè)計與制作

為解決上述問題，筆者在教學中不斷研究改進，制作了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易制作的教學用簡易電動機模型，其特色為：采用兩節(jié)干電池即可驅(qū)動，制作材料方便易得，制作過程簡單，演示操作方便。

該模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中①為轉(zhuǎn)子，②為支架，③為永磁體，④為電池盒，⑤為開關(guān)，⑥為絕緣膠帶。

圖1

將直徑為1mm的漆包銅線繞約20圈，做成直徑為40mm的銅線圈，制作成轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的銅線圈兩端各留出30mm作為轉(zhuǎn)軸，將線圈左端漆包皮全部用砂紙打磨光，只保留金屬銅芯作為全圈全接觸式換向轉(zhuǎn)軸，線圈右端漆包線用砂紙打磨，除去下半部分漆包皮作為半圈半接觸式換向轉(zhuǎn)軸。選取兩根長約160mm、內(nèi)含直徑為2mm的硬質(zhì)銅芯、外徑為3mm的帶絕緣橡膠皮的電纜作為左右兩側(cè)支架，將兩側(cè)支架下端長約80mm的銅電纜絕緣皮用小刀剝除，做成與底座外徑曲度相同的弧形結(jié)構(gòu)，以便于固定，支架立柱部分高約60mm、保留絕緣皮與弧形結(jié)構(gòu)垂直，左右支架頂端將長約20mm的銅芯彎曲成非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)電刷，保留1.5mm缺口，該缺口的作用是方便換裝不同形狀的轉(zhuǎn)子。選取直徑75mm的圓形永磁體作為電動機定子，兼作底座用。在電池盒中裝兩節(jié)5號電池作為電源，從電池盒正負極引出兩根導線，分別與兩側(cè)支架立柱銅芯連接。開關(guān)可控制電動機的轉(zhuǎn)和停，電工絕緣膠帶起固定支架和絕緣雙重作用。

制作該簡易電動機模型時，在準備好以上6個元件后，先用電工絕緣膠帶環(huán)繞圓形永磁體底座外側(cè)包裹一圈，作絕緣底層用，并起增加摩擦力的作用，支架立柱部分高為60mm，將支架固定在永磁體底座上，然后再將兩個支架的下端弧形結(jié)構(gòu)部分緊靠永磁體底座外側(cè)已經(jīng)貼好的電工膠帶絕緣底層。注意左右兩側(cè)支架的弧形部分不能接觸，否則會發(fā)生短路。保持兩側(cè)支架的立柱底端位于圓形永磁體底座的直徑上，兩側(cè)支架的立柱底端連線要過圓形永磁體底座的圓心，并保留絕緣皮。電池盒裝上電池后，因電池外殼一般為鐵皮，可利用永磁體的磁場力作用將電池盒吸附在永磁體底座上。在安裝電池盒時，注意電池盒與兩側(cè)支架的連線垂直擺放。將從電池盒正、負極引出的兩根導線經(jīng)連接開關(guān)后，沿底座外側(cè)分別與兩側(cè)支架立柱銅芯連接，再用一層電工膠布將左右兩側(cè)支架的弧形部分和從電池盒正負極引出的兩根導線粘貼在圓形永磁體底座上。將從電池盒正、負極引出的導線的另一端用電烙鐵焊接在兩側(cè)支架立柱的銅芯上。在左右支架頂端將長約20mm的銅芯彎曲成非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)，用作為電機的電刷，非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)保留1.5mm缺口，該非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)也為創(chuàng)新設(shè)計，既可約束轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸在該非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，還可以方便換裝不同形狀的轉(zhuǎn)子，如：圓形線圈、正方形線圈、長方形線圈、心形線圈。

按上述要求制作和連接完畢后，閉合開關(guān)，只需稍稍撥動轉(zhuǎn)子，它就會在安培力作用下持續(xù)轉(zhuǎn)動，通過更換不同形狀的轉(zhuǎn)子，可向?qū)W生展示電動機工作原理。

3 本簡易電動機模型的創(chuàng)新之處

(1) 將兩側(cè)支架下端長約80mm的銅電纜絕緣皮用小刀剝除，做成與底座外徑曲度相同的弧形結(jié)構(gòu)，便于固定(如圖2)。

(2) 支架立柱部分保留了絕緣皮，并與弧形結(jié)構(gòu)垂直。左右支架頂端將長約20mm的銅芯彎曲成非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)，非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)的缺口設(shè)計作為電機的電刷，既可約束轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸在該非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，解決了電動機模型中因結(jié)構(gòu)原因容易發(fā)生線圈跳出支架的問題，也解決了教學用臥式和立式小型電動機實驗器在實際教學演示使用過程中，電刷容易發(fā)生形變而導致電樞線圈與整個電路斷路的問題。

(3) 非全封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)保留了1.5mm缺口，可以方便換裝不同形狀的轉(zhuǎn)子(如圖3)。

圖2

圖3

(4) 電工絕緣膠帶環(huán)繞粘貼在圓形永磁體底座外側(cè)并包裹一圈，作絕緣底層用，增加了摩擦力，磁體和支架的一體化設(shè)計解決了永磁鐵容易松動、脫落的問題。

4 結(jié)語

簡易電動機模型取材方便，成本低廉，學生可在課外制作，激發(fā)了他們物理學習興趣，提升了學生的實踐動手能力，在實際教學中學生制作成功了簡易電動機模型后都非常興奮，很有成就感。