最简单的电动机赏析
第31卷第1期31No.1 物 理 教 师 Vol.
2010年(2010)PHYSICSTEACHER
最简单的电动机赏析
刘剑锋1 董艳辉2
(1.赣南师范学院化生学院,江西赣州 341000);2.广西梧州市第二职业中学,广西梧州 543000)
电动机原理简单,但在人们的感觉中总是有着复杂的
内部结构,制作工艺复杂,对制作要求极高.本文向大家介绍的是一些极其简单的直流电动机,这些电动机都曾被称为是最简单的电动机,但谁是真正最简单的电动机或许并不重要,重要的是它们都蕴含着人类智慧的结晶,是人类创造性思维宝库中绽放的奇葩.相信学生在制作和探究这些构思精巧,结构简单的电动机时也一定能感受到人类智慧火花的光茫,获得一种美的体验.1 最简单的线圈电动机1.1 实验描述
把漆包线绕制成约1cm×2cm的矩形线圈,大约绕6～10圈即可.线的两端各留约5cm,从矩形的短边引出,然后用小刀刮去两条引线的漆皮,其中一端全部刮去,另一端只刮去半圈,这样电动机的线圈就做好了.用钳子把粗铜丝或曲别针弄弯,固定在泡沫塑料上,两个支架分别与电池的两极相接触.把线圈放在支架上,找一个喇叭上的圆柱形磁铁放在线圈下,用手拨动一下小线圈,它就会连续不断地转下去了.如果线圈不转动,应尽量拉直线圈的两条引线以减小阻力,另外,应让磁铁尽可能离线圈近些,以增大线圈所在处的磁场
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图2
1.3 改进型线圈电动机
随着科学技术的发展,一种体积小、磁性强的磁性材料(钕铁硼强磁铁)在我国研制成功,并被迅速应用于生产生活中的各领域,图2中的圆柱形磁铁就是这样一种强磁铁.由于有了强磁铁,小小电动机的结构就可以更加简化一些了,图2所示电动机与前一种电动机没有什么本质的区别,只是在前一种电动机的基础上省去了底座,但结构更为紧凑了
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这么紧凑的电动机该是最简单的了吧,但真的如此吗?请看下面一个电动机,下面这个电动机可是连支架和线圈都不需要了.
2 最简单的单极感应电动机2.1
实验描述
如图3所示,在一颗螺丝钉的钉帽上吸附一钕铁硼强磁铁,再将螺丝钉钉尖吸附在一节5号电池的正极上,这样就做好了一个电动机.使用时拿一根导线接在电池的负极上,用一只手压紧导线,另一只手拿导线的另一
端轻轻接触磁铁的边缘,这时通
电的磁铁由于处在自身的强磁场中,受到磁场力的作用,从而带着螺丝钉旋转起来.2.2 追根溯源
这种电动机从目前可查资料看,最早见于《′99国际物理教师学术交流会论文集》中.在该文集第128～130页刊登了日本东京Azabu中学教师HiroshiMasuko的一篇论文,文中给出了这种电动机的制作方法.
这个电动机省去了支架和线圈,改由磁铁自身和螺丝钉代替了线圈及转子,结构已经简单到无以复加的地步,那么是否已经不能再简化了呢?有没有更好的简化方案呢?下面这个电动机可是连一根多余的导线都没有了.3 最简单的铝环电动机———韩长明马达3.1 实验描述
该电动机的构造十分新颖、简单、巧妙,只需要从易拉
图3
图1
这个电动机让人叫绝的是其中换向器的省略.如果没有换向器,通以直流电的线圈在相邻的两个半周对称位置
受到的力矩总是反向的,那么线圈就不能连续地转动.但这个电动机用的方法是使线圈只是在半个周期里通电,另半周期里断电.实现的方法是将线圈一端的引线上的绝缘漆全部刮掉,另一端只刮掉了半个侧面.实验方法简单得出奇,却漂亮得令人叫绝.1.2 追根溯源
这种电动机最初出现在安忠、刘炳升主编的《中学物理实验教学研究》(高等教育出版社1986年5月第1版第361页)上.罗星凯所著的《中学物理疑难实验专题研究》(广西师范大学出版社1998年6月第1版第6～7页)一书中,对此装置也有相关的介绍和讨论.在人民教育出版社出版的初中物理课本第2册中也要求学生课外制作一个这样的小小电动机.
Vol.31No.1第31卷第1期 物 理 教 师 (2010) PHYSICSTEACHER 2010年
探究性实验中一个值得探讨的问题
孙东飞
(浙江省舟山市大衢中学,浙江舟山 316281)
在高中《物理》必修1“探究加速度、力、质量的关系的实验”中,小车(包括盛砂的盒及盒内的砂)的总质量一定要远大于砂和砂桶的总质量吗?
探究分析1:如图1所示的实验装置,小车上固定盒子,盒子内盛有砂子
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可见,随着m的增大(F增大),图像斜率要减小,a与F不
再成正比了.
本实验是因原理不完善引起的误差,实验用砂和砂桶的总重力mg代替小车的拉力F,而实际小车所受的拉力要小于砂和砂桶的总重力,砂和砂桶的总质量越接近小车和砝码的总质量,误差越大,反之砂和砂桶的总质量越小于小车和砝码的总质量,由此引起的误差就越小.即一定要在保证M m的条件下,才能减小误差.
那么本实验是不是一定要满足M m?探究分析2:如图1所示,在质量不变的情况下,探究加速度与合外力的关系时,从盒子中取出一些砂子,装入砂
图1 图2
实验时在小车(包括盛砂的盒及盒内的砂)的总质量M一定的情况下,得到加速度a与力F的关系图像,如图2所示,为什么随着F增加,a与F不再成正比了呢?
设小车加速度为a,对砂和砂桶分析由牛顿第二定律有
mg-F=ma.对小车分析有
F=Ma.
mg
得a.
M+m
实验中用砂和砂桶重力mg代替了小车所受的拉力F,a-F图像斜率的物理意义:系统的总质量(小车、盒子及盒内砂子、悬挂的桶以及桶内砂子质量之和),即
==.FmgM+m罐上剪下宽约为10mm的一个铝圈,将其剪断,把两端重叠一段后用图钉从环外扎透,图钉的尖放在五号电池的正极上面,电池负极下面
吸附一块圆柱形的钕铁硼强图4磁铁(如图4所示).当铝环的侧边与磁铁的柱面相接触时,铝环中有电流通过,在磁铁的磁场作用下,铝环受到安培力,这样就以图钉尖为轴心而不停地转动,有趣极了.当然,您也可以用铜丝来代替铝环,您可以根据自己的爱好弯制出不同的形状.
3.2 追根溯源
此装置由教育部广西师范大学基础教育课程研究中心韩长明教授研制.2005年7月份日本学者坂田先生来到研
桶中,称量并记录砂桶的总重力mg,将该力视为合外力
F,对应的加速度a可从打下的纸带中计算得出.多次改变合外力F的大小,每次都会得到一个相应的加速度.本次实验中,桶内的砂子取自小车中,故系统的总质量不变.以合外力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出a-F图像,图像是一条过原点的直线.
该实验中,就不需要满足小车(包括盛砂的盒及盒内的砂)的总质量一定要远远大于悬挂的砂和砂桶的总质量,因为实验的研究对象是整个系统,系统受到的合外力就等于mg.
可见选取连接体系统为研究对象,这时绳子的张力是系统的内力,砂和砂桶的总重力是系统所受的合外力,这就巧妙地消除了由于mg代替F而带来的系统误差.对整体
mg
分析得a=,学生按上述整体法成功地完成了实验,
M+m
较准确地得出:系统的加速度与所受的合外力成正比,与系统的总质量成反比.(收稿日期:2009-09-29
)究中心参观后对此赞不绝口,并在日本爱智县物理教师交流会上做了精彩介绍,后被日本朋友命名为“韩长明马达”.
参考文献:
1 人民教育出版社物理室及中国教育学会物理教学专业委员会.
九年义务教育三年制初级中学教科书《物理》第2册.北京:人民教育出版社,2001.
2 罗星凯.中学物理疑难实验专题研究.广西:广西师范大学出版
社,1998.
3 罗星凯,赵凯华.′99国际物理教师学术交流会论文集.广西:广
西师范大学出版社,2000.
4 http://se.cersp.com/tjzy/xhshow/JPZS/200608/166.html5 http://se.cersp.com/tjzy/xhshow/JPZS/200610/323.html6 http://se.cersp.com/tjzy/xhshow/JPZS/200611/429.html7 http://hi.baidu.com/yicixin395/blog/item/
29696d3ec9f60cfc838b131f.html(收稿日期:2009-07-23)