手摇交直流发电机构造原理及DIS拓展探究

郑恬恬 张轶炳

摘   要：文章通过拆解交直流发电机，分析各个部件的构造，对既能产生直流电又能产生交流电的集流环设计原理有了进一步的认识，讨论设备为什么采用四块磁铁组合产生定子磁场，进一步利用磁感应传感器探究其设计意图，从理论的角度分析电枢铁芯内的磁场分布，也对软磁材料磁化特性有了直观的认识。

关键词：发电机;构造原理;磁场分布;DIS

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）12-0046-5

普通高中教科书物理选择性必修第二册第三章第一节对手摇发电机理论分析时将磁场看成由两个半圆弧的磁铁产生，缺少磁铁构造的原理机制分析，将磁场简单地作为匀强磁场处理[1]。美国教材《物理原理与问题》第25章第一节介绍发电机时提到铁芯能够增强磁感应强度，理论分析时用一个没有铁芯的单圈发电机进行推导，没有关于带铁芯时磁场的剖析[2]。

本研究利用DIS数字化信息系统，即磁感应传感器结合计算机软件，测量四块磁铁的磁场[3]，探究磁铁的组装优势，分析电枢铁芯的作用，培养学生的科学与工程实践能力和高阶思维能力。

1    仪器构造

1.1    仪器组成

实验使用到的仪器有手摇交直流发电机、导线、数据采集器、USB数据线、计算机等。手摇交直流发电机的构造及各部分名称如图1所示，定子磁场由两块铁氧体材料并附一对极靴产生，电枢由线圈及固定线圈的铁芯绕环构成，线圈的两端分别连接在两个铜环上。整个装置固定在木板底座上。……