程 柏

(新疆兵團(tuán)第七師高級中學(xué) 新疆 伊犁 833200)

1 制作因緣

如圖1所示，高中物理教材人教版選修3-2中第四章“電磁感應(yīng)”第4節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”中新增了“反電動勢”概念，并在最后“說一說”欄目里，加入一個演示實驗，要求學(xué)生觀察電動機(jī)啟動過程中的電流變化.

圖1 人教版教材中的“說一說”欄目

對于本實驗，如果采用機(jī)械電流表，指針的偏轉(zhuǎn)情況不易被坐在后排的學(xué)生們觀察到；而阻止電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榧冸娮桦娐?，則要限制電路中的電流大小，電流過大，容易燒毀電源或電機(jī).怎樣限制電路中的電流大小，又能顯化電路中電流的變化？把電機(jī)和恰當(dāng)電阻的小電珠串聯(lián)就能達(dá)到奇妙的實驗效果.

2 裝置介紹

如圖2所示，在長60 cm、高30 cm的自制展板上，將規(guī)格為“1.5 V，0.3 A ”的小電珠(帶底座)、毫安數(shù)字直流電流表、玩具電動機(jī)、兩節(jié)干電池(廢舊的電視遙控器改裝成電源)安裝并連接為串聯(lián)電路，將數(shù)字直流電壓表與直流小電機(jī)并聯(lián).

圖2 實驗裝置圖

3 使用說明

閉合開關(guān)，接通電源，觀察電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動與用手按住轉(zhuǎn)子使之不轉(zhuǎn)時，電路中小電珠的亮暗變化及電流表和電壓表的變化.如圖3所示，明顯地，隨著電機(jī)越轉(zhuǎn)越快，電機(jī)上的電壓在增大，小電珠卻越來越暗，電流表示數(shù)越來越小.當(dāng)用手阻礙電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動至不轉(zhuǎn)動時，小電珠反而最亮，情況剛好倒過來.為什么直流小電機(jī)不轉(zhuǎn)時，小電珠比電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時要亮呢？小電機(jī)啟動過程中，電流為什么會變小呢？

圖3 電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時，毫安數(shù)字直流電流表示數(shù)

4 實驗原理

從電路中能量轉(zhuǎn)化與守恒角度來看，這涉及到純電阻與非純電阻電路的知識.這里視電池為理想電源;當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，電路為非純電阻電路，具體說，電路變?yōu)殡娮枧c電感串聯(lián)電路，所消耗的電能不全部轉(zhuǎn)化為電熱，還有一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電功大于電熱，W1>Q1,即

從而

當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，電路為純電阻電路，電功與電熱的關(guān)系為W2=Q2，即

故

可見，I1

如圖4所示，由動力學(xué)可知，在直流電動機(jī)中，通電后的線圈在磁場中受安培力產(chǎn)生動力矩而轉(zhuǎn)動，線圈轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由右手定則可知，其方向與原電流方向相反，即線圈轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢具有削弱原電源電動勢的作用，因而我們把這個電動勢叫做反電動勢E.其大小與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈的面積、匝數(shù)、轉(zhuǎn)速有關(guān)，定量表示為

圖4 直流電動機(jī)通電后，線圈在磁場中運動產(chǎn)生的電流方向

E反=2πNBSn

(1)

設(shè)電動機(jī)的外加電壓為U，線圈的電阻為r,則電機(jī)轉(zhuǎn)動時線圈中的工作電流為

(2)

電動機(jī)是用來帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的，其轉(zhuǎn)軸受到兩個力矩作用.一個是磁場力矩作用，大小決定于電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度和線圈面積、匝數(shù)及偏轉(zhuǎn)角度，即

M=NBISsinθ

(3)

另一個則是由負(fù)載和機(jī)械摩擦產(chǎn)生的阻力矩.由上述式(1)、(2)、(3)可知：當(dāng)電動機(jī)剛與電源接通時，線圈轉(zhuǎn)速為零，反電動勢為零，電流最大，動力矩也最大.動力矩大于阻力矩，使得電動機(jī)加速轉(zhuǎn)動.隨著轉(zhuǎn)速加大，反電動勢也逐漸增大，電流逐漸變小，動力矩逐漸減小，當(dāng)動力矩減小到和阻力矩相等時，電動機(jī)勻速轉(zhuǎn)動，連續(xù)工作下去.當(dāng)負(fù)載增大，即阻力矩增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，反電動勢變小，若外加電壓不變，則電流增大，磁力矩增大，當(dāng)磁力矩又和阻力矩相等時，電機(jī)將在較慢的轉(zhuǎn)速下勻速轉(zhuǎn)動.如果電機(jī)工作中，由于機(jī)械阻力過大而停止轉(zhuǎn)動，這時沒有了反電動勢，線圈中的電流就會很大，時間長了，有可能燒壞電機(jī)，這就是現(xiàn)實生活中，當(dāng)電機(jī)被卡住時，保險絲容易燒斷的原因.因此，電機(jī)如果被卡住不轉(zhuǎn)動，要立即切斷電源，進(jìn)行檢查[1].

對于本實驗，我們將電機(jī)與小電珠串聯(lián)，確保了電流不至于過大，明顯可以顯示出電機(jī)線圈中的電流變化.當(dāng)電動機(jī)不轉(zhuǎn)時，回路中的電流

(4)

當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，由于反電動勢的緣故，此時回路中的電流變?yōu)?/p>

(5)

由式(1)和(5)可知，電動機(jī)不轉(zhuǎn)時E反=0,I最大，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，E反增大，I減小，電珠由亮變暗.

由式(2)還可知

U=Ir+E反

兩邊同時乘以電流I,有

UI=I2r+E反I

顯然，UI表示電源輸入給電機(jī)的電功率或電機(jī)消耗的電功率；I2r為電機(jī)線圈上消耗的熱功率；由能量守恒與轉(zhuǎn)化可知，E反I就應(yīng)該是電機(jī)的輸出功率，也正是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程[2].

5 創(chuàng)新要點與教育啟示

(1)古人云:“工欲善其事，必先利其器.”教具至于教師，猶于寶劍之于劍客，斧鑿之于匠人.自制教具結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、攜帶輕便；承載“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器,拼拼湊湊做實驗”的教育理念，用電視機(jī)遙控器改裝電源、自制木輪做為電機(jī)負(fù)載，配置數(shù)顯電表快速、及時地顯示動態(tài)變化，使得電路簡明實用；“電機(jī)轉(zhuǎn)、電珠暗；電機(jī)不轉(zhuǎn)、電珠亮”的反差現(xiàn)象明顯，實驗效果奇妙、生動有趣.

(2)學(xué)習(xí)非純電阻電路和純電阻電路的知識，應(yīng)直觀地讓學(xué)生看到電能與其他形式能間的轉(zhuǎn)化.本教具中直流小電機(jī)工作時，顯化了電能向電熱和機(jī)械能轉(zhuǎn)化.特別是，當(dāng)手動控制轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，電流明顯變大，電珠隨之變亮，實現(xiàn)了非純電阻電路向純電阻電路轉(zhuǎn)化，電表的數(shù)據(jù)變化，證實歐姆定律適用條件是純電阻電路，而非非純電阻電路.

(3)人教版選修3-2中第四章“電磁感應(yīng)”第4節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”中新增了“反電動勢”概念，不應(yīng)該僅僅是作為電磁感應(yīng)定律的一個應(yīng)用，而恰恰應(yīng)作為分析直流電路歐姆定律應(yīng)用、電動機(jī)工作原理中能量轉(zhuǎn)化的一個重要補(bǔ)充和升華.使用教具，做好演示實驗，能真正調(diào)動學(xué)生的探究樂趣，深化其對概念和規(guī)律的思考，從而實現(xiàn)學(xué)習(xí)態(tài)度從好勝向好奇、學(xué)習(xí)認(rèn)知從習(xí)題向問題的轉(zhuǎn)變.