手搖發(fā)電機工作機制及DIS輔助實驗探討

鄭恬恬 張軼炳

摘 要：手搖發(fā)電機巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能產(chǎn)生直流電也能產(chǎn)生交流電.通過剖析發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，挖掘產(chǎn)生兩種電流的物理原理及集流環(huán)一環(huán)兩用的構(gòu)造原理;利用電流傳感器及其數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行發(fā)電實驗，直觀展示直流電和交流電的實驗現(xiàn)象.這種既注重儀器設(shè)備物理原理及構(gòu)造原理，又利用現(xiàn)代化設(shè)備改進傳統(tǒng)實驗的方法，對廣大教師和學(xué)生的深度學(xué)習(xí)大有裨益.

關(guān)鍵詞：手搖發(fā)電機;直流;交流;DIS;輔助實驗

中圖分類號：G633.7???? 文獻標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）21-0051-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金“西北民族地區(qū)科學(xué)探究教育績效評價及影響因素研究”（項目編號：71663042）.

作者簡介：鄭恬恬（1998-），女，福建人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

通訊作者：張軼炳（1964-），女，寧夏銀川人，碩士，教授，研究方向：物理教育.

普通高中教科書《物理》（選擇性必修2）第三章“交變電流”中的“觀察交變電流的方向”實驗[1]，將兩個反向并聯(lián)的發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管與手搖發(fā)電機的兩端相連，轉(zhuǎn)動手柄，觀察兩個發(fā)光二極管的發(fā)光情況來判斷交變電流方向的變化情況.但該手搖發(fā)電機存在以下兩點不足：（1）可視性差，兩種顏色的發(fā)光二極管交替發(fā)光的時間差非常小，實驗現(xiàn)象不能夠清晰展現(xiàn)，再加上無法判斷電流大小的變化，影響了學(xué)生對交變電流規(guī)律的認識;（2）功能不足，只能產(chǎn)生交流電，無法產(chǎn)生直流電，學(xué)生無法進行交流電和直流電的對比分析學(xué)習(xí).新設(shè)計的實驗在手搖交直流發(fā)電機的輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，利用多量程電流傳感器和計算機軟件的結(jié)合[2]，直觀顯示出交流電和直流電的圖像，加深了學(xué)生對交變電流和直流電的感性認識.通過分析集流環(huán)的構(gòu)造，將實物模型抽象概括為物理模型，建構(gòu)集流環(huán)的立體模型圖，運用分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等科學(xué)思維方法，對交直流發(fā)電機既能輸出交流電，又能輸出直流電的工作機制進行定性分析，深化學(xué)生對交直流發(fā)電機功能的認識.

1 實驗儀器

1.1 實驗儀器組成

實驗使用到的儀器有手搖交直流發(fā)電機、導(dǎo)線、LW-E803型多量程電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、USB數(shù)據(jù)線、計算機等.手搖交直流發(fā)電機的構(gòu)造及各部分名稱如圖1所示，我們可將手搖交直流發(fā)電機的構(gòu)造分為三部分：手輪、皮帶和電樞構(gòu)成動力系統(tǒng);磁塊、極靴、電刷和集流環(huán)構(gòu)成感應(yīng)系統(tǒng);多量程電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機構(gòu)成檢驗系統(tǒng).

1.2 實驗儀器構(gòu)造原理

1.2.1 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)為整個實驗的動力部分，用手搖的方式轉(zhuǎn)動手輪，通過皮帶傳動使電樞在磁場中轉(zhuǎn)動起來，其中手搖輪是源動力，皮帶起到傳動的作用.

1.2.2 感應(yīng)系統(tǒng)

在動力系統(tǒng)的作用下，電樞在磁場中轉(zhuǎn)動，切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生的感應(yīng)電流通過電刷集中到集流環(huán)上.另外，電刷前端有一弧形，加大了它與集流環(huán)的接觸面積，減少電火花的產(chǎn)生.

1.2.3 檢驗系統(tǒng)

感應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電流傳送到檢驗系統(tǒng)，在檢驗系統(tǒng)中，LW-E803型多量程電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器通過USB與計算機連接，通過觀察圖像檢測回路中產(chǎn)生電流的特性.

2 實驗原理分析

手搖交直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為交流和直流電能的裝置，其原理與導(dǎo)體棒切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理相同，都是電磁感應(yīng).線圈在磁場中轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，線圈就相當(dāng)于閉合回路中的電源，其中的非靜電力是洛倫茲力.

圖2是實驗的原理圖，圖中有一對固定的永久磁鐵N極和S極，在N極和S極之間轉(zhuǎn)動著一個線圈abcd，是一個面積為S，匝數(shù)為N的線圈，它在均勻磁場B中以勻角速度ω繞中心軸轉(zhuǎn)動，若t=0時，線圈平面的法線n平行于B，則在任意t時刻，線圈處在如圖2（b）的位置，n與B間的夾角為θ=ωt，此時，通過線圈的磁通量為

Ψ=NΦ=NBScosθ=NBScosωt（1）

所以由法拉第電磁感應(yīng)定律，可得線圈中的感應(yīng)電動勢為

e=-dΨdt=NBSωsinωt=Emsinωt（2）

其中，Em為感應(yīng)電動勢的最大值，這是一個大小和方向都隨時間發(fā)生周期性變化的電動勢.

交直流發(fā)電機中的集流環(huán)上有條凹槽，它把集流環(huán)分成了互相絕緣的兩部分，如圖3（b）和（c）所示，右半部分2與藍導(dǎo)線相連，左半部分1與紅導(dǎo)線相連.可以直觀地看到1和2一半是完整的圓環(huán)，一半是半環(huán)，這正是交直流發(fā)電機既能輸出交流電又能輸出直流電的原因.

2.1 產(chǎn)生交流電

將兩電刷夾在集流環(huán)兩端，如圖3所示，在線圈轉(zhuǎn)動過程中電刷與集流環(huán)相互接觸的部位始終沒有變，不改變電流的方向，回路中電流的方向與電動勢的方向相同.

設(shè)閉合回路的總電阻為 R 時，通過閉合回路中的感應(yīng)電流為

I=eR=1RNBSωsinωt=Imsinωt（3）

其中， Im 為感應(yīng)電流的最大值.此時回路中電流的大小和方向都隨時間發(fā)生周期性變化，是交流電.

2.2 產(chǎn)生直流電

將兩電刷夾在集流環(huán)中央，即兩電刷平行放置，如圖4所示，在線圈轉(zhuǎn)動過程中原本與集流環(huán)左半部分1接觸的上夾片A，與右半部分2接觸的下夾片B，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過中性面，即遇凹槽后上夾片A與右半部分2接觸，下夾片B與左半部分1接觸;再次轉(zhuǎn)過中性面時，即再遇凹槽后上夾片A又變成與左半部分1接觸，下夾片B也變成與右半部分2接觸，說明線圈每轉(zhuǎn)過一次中性面，即每遇凹槽一次，兩個半環(huán)交替地與兩個電刷接觸，電流方向就發(fā)生改變了，因此在電刷A與B間輸出的是方向不變的直流電.

此時通過閉合回路中的感應(yīng)電流變?yōu)?/p>

I=eR=1RNBSωsinωt=Imsinωt（4）

此時回路中電流的方向不隨時間發(fā)生變化，是直流電.

3 實驗步驟

實驗時先連接檢驗部分的電路，并檢查電路是否連接完好;連接電刷和集流環(huán)，使其接觸良好;勻速搖動手輪，即可輸出電流，搖動速度不要太快，以免輸出電壓過高;改變上下電刷與集流環(huán)的接觸位置，再勻速搖動手輪，觀察現(xiàn)象.

4 實驗現(xiàn)象分析

實驗的實物圖如圖5所示，將多量程電流傳感器接入檢驗電路，用來測量電路的電流值，打開數(shù)字化通用軟件的數(shù)字顯示窗口，進行校零后，打開指針顯示窗口觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況，最后在曲線窗口繪制回路中電流的波形圖.

將電刷夾在集流環(huán)兩端，勻速搖動手輪可以看到指針顯示窗口指針會始終先由零逆時針逐漸增加到一定值，之后減小為零，再由零順時針逐漸增加到一定值，之后減小為零，即指針始終會在零刻度線附近擺動，如圖6所示.圖7是此時電流隨時間變化的圖像，可以直觀地看出此時回路中電流近似是大小和方向隨時間做周期性變化的交變電流.

將電刷夾在集流環(huán)中間，順時針勻速搖動手輪可以看到指針始終由零順時針逐漸增加到一定值，之后減小為零，如圖8所示.圖9是此時電流隨時間變化的圖像，可以直觀地看出此時回路中電流近似是方向不隨時間變化的脈動直流電;反向逆時針勻速搖動大輪可以看到指針始終由零順時針逐漸增加到一定值，之后減小為零，如圖10所示.圖11是此時電流隨時間變化的圖像，對比圖9可以發(fā)現(xiàn)此時電流反向變化，但仍然是直流電.

5 結(jié)束語

手搖交直流發(fā)電機功能較為齊全，電流波動性較好，操作簡單易懂.實驗中借助集流環(huán)的立體模型圖剖析推理出此發(fā)電機既能產(chǎn)生交流電又能產(chǎn)生直流電的原因，配合DIS數(shù)字化系統(tǒng)可以直觀地得出電刷夾在集流環(huán)不同位置時電流隨時間的變化規(guī)律，既體現(xiàn)科技的力量又增強了趣味性，使復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作變得輕松，有跡可循，實驗現(xiàn)象更加豐富、全面和直觀，學(xué)生可以親歷探究交流電和直流電的過程，逐漸構(gòu)建起交變電流和直流電的物理概念.但本實驗仍無法實現(xiàn)線圈的勻速轉(zhuǎn)動，也無法產(chǎn)生勻強磁場.如果條件允許，可以將手搖大輪替換成電動機帶動線圈勻速轉(zhuǎn)動，將鐵氧體材料替換成兩個平行的電磁鐵產(chǎn)生勻強磁場[2].

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理（選擇性必修2）[M].北京： 人民教育出版社，2020.

[2]廖永容，楊曉梅.手搖發(fā)電機實驗的改進[J]. 物理教師，2019，40（01）： 60-61+64.

（收稿日期：2021-07-29）