浙江省海寧市行知初級中學(xué)(314415) 姚忠根

1 浙教版實(shí)驗(yàn)方案存在的幾個(gè)問題

奧斯特實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)行中學(xué)物理教科書中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),為了方便演示,根據(jù)浙教版8年級科學(xué)教科書的實(shí)驗(yàn)方案,我們制作了集磁針、導(dǎo)線、開關(guān)、電源與支架為一體的手動(dòng)式一體化奧斯特實(shí)驗(yàn)器。教學(xué)實(shí)踐證明,手動(dòng)式一體化奧斯特實(shí)驗(yàn)器存在以下幾個(gè)問題。

1.1 電源短路

奧斯特實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)大的導(dǎo)線電流,才能引起磁針明顯偏轉(zhuǎn)。按照課本上的實(shí)驗(yàn)方法用干電池短路來獲得大電流,幾次短路之后電池的電能就耗盡了,而且教科書上又說電路要避免短路,這里明顯自相矛盾[1]。用學(xué)生電源可以獲得較大的電流,但學(xué)生電源經(jīng)常發(fā)生過載而斷開電源導(dǎo)致完不成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

1.2 調(diào)整導(dǎo)線與磁針指向平行的操作比較麻煩

奧斯特實(shí)驗(yàn)要求磁針靜止時(shí)和導(dǎo)線保持平行,由于實(shí)驗(yàn)器與桌面的摩擦力較大,需要用手把實(shí)驗(yàn)器抬起來做旋轉(zhuǎn)操作,這樣操作既不方便又不精準(zhǔn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作時(shí)對磁針有振動(dòng)干擾

奧斯特實(shí)驗(yàn)需要等待磁針靜止下來以后再通電觀察電流對它的影響。按教材的實(shí)驗(yàn)方法在閉合開關(guān)時(shí)有可能通過導(dǎo)線或底板引起磁針的振動(dòng),而磁針振動(dòng)就會(huì)影響實(shí)驗(yàn)觀察,分不清磁針偏轉(zhuǎn)是振動(dòng)引起的還是電流引起的。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

2.1 避免短路設(shè)計(jì)

原則上可以采用大的電源電壓(如12 V以上),再串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮鑋2]的方式獲得較大電流。但是大的電源電壓成本較高,也較難小型化。我們的設(shè)計(jì)是在磁針上方形成多根同向電流導(dǎo)線束,從總體上增大同方向的電流強(qiáng)度。實(shí)際電路參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定,用1節(jié)或2節(jié)1.5 V干電池,總電壓1.5 V或3 V,串聯(lián)15 Ω或20 Ω額定功率為0.5 W的電阻,避免了短路實(shí)驗(yàn)。

2.2 可旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

奧斯特實(shí)驗(yàn)使用的磁針受地磁場影響,當(dāng)磁針靜止下來后是南北指向的。奧斯特實(shí)驗(yàn)的通電導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)與磁針平行,以排除地磁場對磁針的影響。但實(shí)驗(yàn)演示前,實(shí)驗(yàn)器的導(dǎo)線方向并不一定是南北指向的,所以要讓磁針與導(dǎo)線方向平行,就要把實(shí)驗(yàn)器旋轉(zhuǎn)一定的角度。由于實(shí)驗(yàn)器與桌面摩擦力比較大,在桌面上用手旋轉(zhuǎn)不太方便,而把實(shí)驗(yàn)器提起來旋轉(zhuǎn)又控制不好旋轉(zhuǎn)角度。因此,可以在奧斯特實(shí)驗(yàn)器底部安裝一個(gè)轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)盤內(nèi)裝有滾珠,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦力很小,可以很方便地旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線的方向,使導(dǎo)線與磁針指向平行。

2.3 智能語音控制

智能語音控制電流的通斷和電流的方向,對減少實(shí)驗(yàn)干擾有很好的效果。奧斯特實(shí)驗(yàn)只有當(dāng)磁針靜止下來之后,再通電觀察,才能確定磁針偏轉(zhuǎn)是電流引起的還是其他偶然因素的觸碰引起的。語音控制系統(tǒng)不直接接觸實(shí)驗(yàn)器,實(shí)驗(yàn)時(shí)等磁針靜止下來后,通過說話控制電流的通斷與方向。我們利用天問TW-ASR語音控制PLC板(帶微型喇叭)與2個(gè)自制的帶LED指示燈的繼電器模塊控制導(dǎo)線電流,實(shí)驗(yàn)非常方便,效果也很好,對磁針幾乎沒有干擾。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)圖與實(shí)物

3.1 電路設(shè)計(jì)圖

圖1是改進(jìn)版電路設(shè)計(jì)圖,其中AB段導(dǎo)線部分是用單根導(dǎo)線同方向繞成的多股同向?qū)Ь€束,可以獲得較大的同向電流強(qiáng)度。圖2是其中AB之間這段導(dǎo)線的形成示意圖,利用了由單根導(dǎo)線繞成的線圈的上邊,AB段導(dǎo)線的總電流是多個(gè)同向電流之和,這樣增大了同向電流強(qiáng)度;線圈的下邊隱藏在奧斯特實(shí)驗(yàn)器盒子的中間偏下的木板夾層中。

圖1 改進(jìn)版奧斯特實(shí)驗(yàn)器控制電路圖

圖2 利用線圈的上邊作為導(dǎo)線AB

當(dāng)繼電器模塊1閉合時(shí),繼電器模塊2同時(shí)斷開。電流流向:電源A正極-A-B-繼電器模塊1-15 Ω電阻-電源A負(fù)極。當(dāng)繼電器模塊2閉合時(shí),繼電器模塊1同時(shí)斷開。電流流向:電源B正極-B-A-繼電器模塊2-15 Ω電阻-電源B負(fù)極。

3.2 實(shí)物

圖3和圖4是制作出來的實(shí)物照片。

圖3 俯視照片

圖4 轉(zhuǎn)盤式底座

4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

針對奧斯特實(shí)驗(yàn)器編寫了相應(yīng)的語音控制程序,然后通過下載器將程序下載到TW-ASR控制板的單片機(jī)中。實(shí)驗(yàn)器的操作方法如下。

(1)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)器,使導(dǎo)線與磁針的靜止指向平行。

(2)閉合電源A與電源B的自帶開關(guān),閉合TW-ASR控制器的電源自帶開關(guān)(圖1中沒有畫出),可以聽到歡迎詞“歡迎使用奧斯特實(shí)驗(yàn)器,用奧斯特實(shí)驗(yàn)器喚醒我?！?/p>

(3)等待磁針徹底靜止下來后,呼喚“奧斯特實(shí)驗(yàn)器”,此時(shí)實(shí)驗(yàn)器被喚醒。

(4)呼喚“電流從左邊流入”,控制電流從左邊流入的繼電器閉合,相應(yīng)的LED指示燈亮,同時(shí)AB段導(dǎo)線電流就從左邊流入,磁針向一側(cè)偏轉(zhuǎn)(如圖5所示)。

圖5 電流從左邊流入

(5)呼喚“電流從右邊流入”,控制電流從右邊流入的繼電器閉合,相應(yīng)的LED指示燈亮,同時(shí)AB段導(dǎo)線電流就從右邊流入,磁針向另一側(cè)偏轉(zhuǎn)(如圖6所示)。

圖6 電流從右邊流入

(6)呼喚“關(guān)閉電源”,2個(gè)繼電器都關(guān)閉,AB段導(dǎo)線中就沒有電流了,磁針恢復(fù)到原來靜止的南北指向狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磁針按不同的電流方向朝不同方向偏轉(zhuǎn),由于受到的磁力矩大,而摩擦力矩小,需要經(jīng)過一定的振蕩時(shí)間才能穩(wěn)定下來。改變磁針的質(zhì)量大小,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁針質(zhì)量變小,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也減小,所以,質(zhì)量小的磁針容易快速穩(wěn)定下來,但可見度要稍差。教學(xué)中可權(quán)衡利弊,選用適當(dāng)大小的磁針(如圖7所示),使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象既容易較快穩(wěn)定下來,又有較好的可見度。

圖7 適當(dāng)大小的磁針

5 結(jié)束語

教學(xué)實(shí)踐證明,此改進(jìn)版的奧斯特實(shí)驗(yàn)器操作起來非常方便、演示效果也很好。奧斯特實(shí)驗(yàn)的2個(gè)結(jié)論是:①電流周圍存在磁場;②磁場方向跟電流的方向有關(guān),利用此奧斯特實(shí)驗(yàn)器,這2個(gè)結(jié)論都得到了很好的驗(yàn)證。