單極直流電動機實驗教學儀器的開發與改進

江蘇省奔牛高級中學(213131) 呂 琪 鄂道勝

物理學是一門基于實驗、邏輯嚴謹的學科，它對于科技的發展和革新有著至關重要的作用，同時也是人類文化的重要組成，它的發展深刻地影響著人類的生產和生活方式。物理實驗是物理教學的重要組成部分，對于幫助學生理解和應用物理基本概念和基本規律有著不可取代的作用。

電磁現象在初中及高中物理中均有涉及，初中物理電和磁部分的內容標準中，要求“通過探究直流電動機換向器的原理實驗，了解通電導線在磁場中會受到力的作用，力的方向與電流及磁場的方向都有關系”等知識。高中物理選修模塊中的電磁感應現象展示了不同運動形式之間的聯系，是初中物理電磁部分的進一步延伸。在高中物理實驗類校本課程“小實驗、大悟理”中，單極直流電動機可以作為電磁部分的拓展延伸，培養學生的分析和動手能力，也可以作為引課小實驗，均能取得較好的教學效果。

1 單極直流電動機實驗教學儀器開發的兩種思路

電動機的種類很多，以其結構來說，主要由定子、轉子和換向器構成。定子在空間中靜止不動，轉子則可繞軸轉動，由軸承支撐。定子與轉子之間會有一定空氣間隙(氣隙)，以確保轉子能自由轉動。本文主要介紹4種簡易電動機的制作方法，根據定子和轉子的屬性分成兩大類：一類是磁鐵作為定子，線圈作為轉子，反之為第二類。

2 單極直流電動機的制作說明與設計原理

2.1 類一：磁鐵作為定子，線圈作為轉子

所用器材：電池、包裹絕緣層的銅絲、小刀、圓形小磁鐵(兩粒)、別針、電工膠帶、鉗子、橡皮泥。

2.1.1 類一模型1(見圖1)

圖1 類一模型1

制作說明：

(1)取銅絲1根，在距離一端約10 cm處，用剪刀刮除8 cm長的銅絲的絕緣層。絕緣層被刮除的部分用來做成磁鐵外圍的框架，可以把銅絲綁在圓形小磁鐵上形成一個圓圈。注意裸露的銅絲之間不要相互接觸，松緊度控制在與磁鐵恰好接觸，銅絲兩端引線的連線應過圓圈的中心。

(2)接下來是完成框架的其余部分，兩端銅絲引線在距圓形小磁鐵0.5 cm處彎折90°。之后，對比電池，框架應稍稍超過其高度，再彎折90°。做完這一步，框架已經完成三面，只剩下電池的上面，最后一邊的框架由于要將銅絲末端擰在一起，需要的銅絲長度應多出1 cm，用剪刀將多余的銅絲剪去，并用鉗子將末端擰在一起。

(3)將圓形小磁鐵吸附在電池負極，小磁鐵放置在框架的圓圈中，擰在一起的導線末端與電池正極接觸。適當調節框架，使其與電池接觸良好并穩定。

設計原理：

圖2給出了線圈在圓形小磁鐵產生的磁場中的受力情況，不難發現，此實驗成功的關鍵在于線圈所受安培力并不隨時間變化。另外，線圈框架對稱的結構使得線圈在旋轉過程中始終能夠保持平衡，從而使線圈能夠持續地轉動。

圖2 受力情況分析

2.1.2 類一模型2(見圖3)

圖3 類一模型2

制作說明：

(1)繞制線圈時，選定導線中間一點，然后將兩端的導線緊密均勻地繞成方形導線圈(也可繞成圓形)，為了保證線圈的轉速，導線的匝數最好在30圈以上。導線自由端在線圈中來回打個結，也可用膠帶纏繞使其固定住。

(2)用鋒利的小刀去除兩個線圈自由端一半的絕緣層，即導線一半的側面要保持絕緣，注意暴露的金屬絲應朝向兩側相同方向。

(3)將線圈兩端暴露出的金屬絲伸進別針的小孔內，保持線圈伸直不彎曲。電池底座用橡皮泥粘在桌面上，用電工膠帶將別針分別粘在電池的兩極，使兩別針觸及電池的一極，別針的小孔在上端，繞好的線圈穿過別針小孔掛在電池的上方。

(4)用膠帶將圓形小磁鐵粘在電池的側面，注意保證它的中心在線圈的正下方。此時給線圈一個正確方向的初始轉動，就能看到它連續地轉動下去。

設計原理：

金屬線圈、別針和電池組成一個串聯回路，導線環中的電流產生磁場，其方向可以通過右手定則確定。因為電流在導線產生的磁場不總是垂直于貼在電池上的磁體，導線的磁場中的一些部分被排斥，引起線圈持續旋轉。去除線圈兩端一半絕緣層是為了周期性地斷開電路，否則線圈的磁場會因為與磁鐵磁場相互吸引而停止轉動。線圈連通時，線圈產生的磁場被固定磁鐵的磁場排斥；而當線圈轉到不排斥的位置時(線圈中電流為0)，會因為慣性而繼續旋轉直到相互排斥的位置。一旦移動，線圈可繼續旋轉直到電池沒電。該線圈只能沿一個方向旋轉的原因是錯誤的旋轉方向不會造成磁場互相排斥，而是吸引。

2.2 類二：線圈作為定子，磁鐵作為轉子

所用器材：電池、絕緣電線、小刀、圓形小磁鐵(多粒)、電工膠帶、鉗子、釘子(鋼制)、記號筆、水管、墊圈、螺栓、膠水。

2.2.1 類二模型1(見圖4)

圖4 類二模型1

制作說明：

(1)用記號筆在圓形小磁鐵上畫斜杠(也可在釘子上串些彩色紙片)，這樣做有助于觀察磁鐵的旋轉。

(2)將圓形小磁鐵吸附在釘子的釘帽上，并將釘子的尖端對準電池的正極(正、負極皆可)，需要注意的是釘子的材質需為鐵或鋼，而不能為銅。手握住電池或者用支架將其固定，釘子被磁化之后亦會吸附在電池上而不致脫落。

(3)將導線兩端的絕緣層刮除后，一端用手壓住導線使其與電池的正極(或負極)相連，另一端像一個刷子一樣貼在圓形小磁鐵的側面上。

設計原理：

此模型與類一模型1基本一致，不再敘述。此實驗中電池短接，導線中有一個大的電流，因而會變得非常熱，可使用電工膠帶將導線粘在電池電極上。與之前所述實驗主要的差別是將定子和轉子調換(前者線圈轉動，后者磁鐵轉動)，釘子在這里的作用是其尖端使得轉子(釘子與磁鐵)與電池之間的摩擦力大為減小。實驗中還可以調換電池兩極(或磁鐵兩極)的正負，觀察到磁鐵旋轉的方向反向。

2.2.2 類二模型2(見圖5)

此模型又稱紐曼電動機，是紐曼設計的一種直流電動機。其原理仍是利用磁場對通電導線有力的作用，歷史上紐曼曾經宣稱此電動機的能源來自銅導線圈的質量直接轉化的可用的能量。實際上，紐曼電動機原理與其他類型的電動機原理并無二致。

制作說明：

(1)用膠水把圓形小磁鐵以圖5所示的形式粘在螺栓上，注意磁鐵的南北極保持一個方向。

圖5 類二模型2

(2)取暖水管子一截，從中心位置過中軸打穿兩個孔，用來穿過螺栓。在其上用銅線繞制線圈，螺栓上部分繞制80圈，下部分繞制80圈。

(3)將銅線一端與螺栓連在一起，另一端連到電源的負極(電源電壓為12 V)。螺栓的另一端可與一材質較硬的彈簧連接，并將彈簧連接到電源的正極，為了不影響螺栓的轉動，注意不要將彈簧固定在螺栓上，只需保持接觸即可。

此實驗與其他的電動機原理并無差別，在此實驗基礎之上，還可嘗試向用銅線繞制的線圈中加入一個LED燈，將其置于轉動的磁鐵上方，則會觀察到LED燈被點亮，并且與磁鐵的距離越近，亮度越大。

3 單極直流電動機實驗制作教學的體會與反思

校本課程給了學生充分的時間對感興趣的實物進行探索和鉆研，學生在親手設計和制作電動機模型的過程中會經歷許多挫折，教師應放手讓學生自己探究實踐，使他們能通過自己的努力獲得成功。本實驗的制作和教學并非一蹴而就，教師反思后總結，可以分為原理設計、器材制備、交流展評三塊內容，并將學生的作品在物理課堂教學中穿插展示，增強學生的成就感。

此外，電動機也是許多力學實驗器材的重要元件，后續可以拓展探究任務。例如，利用自己制作的電動機組裝一個電動小車，組裝成功后可利用小車載重物來探究小車最大載重與哪些因素有關。這個過程既培養了學生的興趣，又使學生的動手探究能力得到關注與培養。