手摇发电机实验的改进

廖永容 杨晓梅

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

交变电流是高中物理电磁学部分的重点也是学生容易混淆的难点,新课标要求高中学生能够通过实验认识交变电流,并能用公式和图像描述正弦交变电流．因此通过实验观察交变电流的图像和交变电流大小、方向的变化得出交变电流的变化规律就成为了学习交变电流的必要手段,而人教版高中物理选修3-2第五章第一节用手摇发电机探究交变电流的变化规律,实验仪器本身存在一些问题且实验现象也明显存在不足．新设计的实验与手摇发电机实验相比有三个优点:一是法拉第电磁感应演示仪利用电动机带动线圈转动从而实现匀速,能通过改变输入端的电压值调控线圈转动的角速度,两个平行的电磁铁代替永磁体产生匀强磁场;二是在电磁感应电动势的输出端接入DIS数字化信息系统(电压传感器、数据采集器和电脑),可以利用数字化通用软件的数字、指针和组合图形等显示窗口实现对交变电流的可视化教学;三是利用自制LED灯板模拟电磁铁产生的磁感线,由此观察线圈在匀强磁场中转动时磁通量的变化,从而判断线圈产生的感应电动势大小的变化,结合右手定则即可判断线圈中感应电动势的方向．

1 原实验的不足

(1) 在外电路中接入反向并联的LED灯虽能判断通过手摇发电机产生的电流的方向发生周期性的变化,却无法判断电流大小的变化,更无法观察其图像．

(2) 根据人教版高中物理选修3-1第3章“磁场”中“几种常见的磁场”介绍的两个平行的异名磁极间产生匀强磁场,很明显原装置采用的两蹄形磁铁并不平行,只是教学时一般将其产生的磁场默认为匀强磁场处理,且学生学习时只能抽象的判断磁场的方向．

(3) 人手摇动发电机无法实现让线圈以恒定的角速度转动．

2 发电机实验的改进

2.1 实验原理

图1 线圈逆时针旋转平面图

2.2 改进后的实验

(1) 实验装置采用法拉第电磁感应演示仪如图3所示,该装置采用直流电动机带动转子实现线圈的近似匀速转动,只需调节输入直流电动机电压即可控制线圈在磁场中匀速转动的角速度．此外,在电磁铁输入端输入同向电流后两块相同的平行电磁铁之间会形成如图4所示的磁场,由于线圈的长边小于电磁铁的直径,能保证线圈处于匀强磁场中,还能通过改变电源电压的输入值来改变两电磁铁间的磁场强度．

图3 法拉第电磁感应演示仪

图4 两平行电磁铁间的磁场分布平面图

(2) 改进后的实验电路设计如图5所示,将两个学生电源分别与演示仪的两个输入端连接,在输出端接入DIS数字化信息系统(电压传感器、数据采集器和电脑)．

图5 改进后实验的实物图

(3) 在电磁感应电动势的输出端接入DIS数字化信息系统(电压传感器、数据采集器和电脑)代替原实验中的二极管,应用数字化通用软件的数字、指针和组合图形等显示窗口分别显示线圈转动发电过程中输出端的电压数值的变化、指针的偏转情况和电压波形图．按照图6的方式连接电路闭合开关后,只需要打开电脑上的数字化通用软件记录数据,根据需要切换到不同的窗口即可．如图6-8各个窗口显示的数据变化情况．

图6 数字显示窗口电压数值变化

图7 指针显示窗口指针偏转情况

图8 组合图形窗口电压波形图

由图6、7知,数字窗口显示的电压数值从0开始在区间(-3 V,3 V)内呈现周期性的变化,指针窗口显示指针在零刻线处左右摆动,这两个现象说明感应电动势的大小和方向呈现周期性变化,这与用右手定则分析出线圈中的感应电动势的大小和方向呈周期性变化一致,说明实验现象与理论分析一致．图8是组合图形窗口显示的电压波形图,为了方便选取其中一段进行观察,发现电压的波形几乎为正弦曲线,这与理论计算得出的电压u=Umsinωt的图像一致．

图9 LED灯板的安装

(4) 将自制的LED灯板(在直径为14cm的圆形白色纸板上等间隔串并联LED灯,该纸板的直径略大于电磁铁的直径)固定在右边的电磁铁上并接通电源模拟匀强磁场的磁感线．在透明线圈盒上两面分别贴两张白色纸片(7cm×8cm)使之刚好能完全将线圈盖住,以便观察光斑,当线圈匀速转动时,用打在白纸片上的红色光斑数目的变化表示通过闭合线圈的磁通量的变化,如图10所示,根据右手定则即可判断出线圈上感应电动势的方向．

图10 穿过线圈的磁通量

2.3 改进后实验的优点

(1) 新课标明确提出学校应该充分的利用已有的实验器材,努力开发适合本校情况的实验课程资源．该实验在高中课本上设计的实验基础上进行改进,应用实验室已有的器材代替课本上的器材,不仅成功的产生了匀强磁场,而且实现了线圈的准匀速转动和转速的可控性,源于课本而高于课本,对培养学生的创新精神和实际动手能力有一定的帮助．

(2) 本实验应用了DIS数字化信息系统(电压传感器、数据采集器和电脑)多功能窗口,不仅使用电压传感器代替课本上使用的灯泡、二极管等让学生对交流电产生感性认识,而且通过线圈转动过程中电压数值的变化、指针的偏转和电压波形图等使交流电可视化,实验效果更明显直观．

(3) 用自制的LED灯板模拟匀强磁场的磁感线,通过线圈匀速转动时打在白色纸片上的红色光斑的数目表示磁通量的变化,结合右手定即可判断感应电动势的方向,教学中让学生动手制作LED灯板可以让学生深刻理解串并联的知识．