江苏省奔牛高级中学(213131) 吕 琪 鄂道胜

物理学是一门基于实验、逻辑严谨的学科，它对于科技的发展和革新有着至关重要的作用，同时也是人类文化的重要组成，它的发展深刻地影响着人类的生产和生活方式。物理实验是物理教学的重要组成部分，对于帮助学生理解和应用物理基本概念和基本规律有着不可取代的作用。

电磁现象在初中及高中物理中均有涉及，初中物理电和磁部分的内容标准中，要求“通过探究直流电动机换向器的原理实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，力的方向与电流及磁场的方向都有关系”等知识。高中物理选修模块中的电磁感应现象展示了不同运动形式之间的联系，是初中物理电磁部分的进一步延伸。在高中物理实验类校本课程“小实验、大悟理”中，单极直流电动机可以作为电磁部分的拓展延伸，培养学生的分析和动手能力，也可以作为引课小实验，均能取得较好的教学效果。

1 单极直流电动机实验教学仪器开发的两种思路

电动机的种类很多，以其结构来说，主要由定子、转子和换向器构成。定子在空间中静止不动，转子则可绕轴转动，由轴承支撑。定子与转子之间会有一定空气间隙(气隙)，以确保转子能自由转动。本文主要介绍4种简易电动机的制作方法，根据定子和转子的属性分成两大类：一类是磁铁作为定子，线圈作为转子，反之为第二类。

2 单极直流电动机的制作说明与设计原理

2.1 类一：磁铁作为定子，线圈作为转子

所用器材：电池、包裹绝缘层的铜丝、小刀、圆形小磁铁(两粒)、别针、电工胶带、钳子、橡皮泥。

2.1.1 类一模型1(见图1)

图1 类一模型1

制作说明：

(1)取铜丝1根，在距离一端约10 cm处，用剪刀刮除8 cm长的铜丝的绝缘层。绝缘层被刮除的部分用来做成磁铁外围的框架，可以把铜丝绑在圆形小磁铁上形成一个圆圈。注意裸露的铜丝之间不要相互接触，松紧度控制在与磁铁恰好接触，铜丝两端引线的连线应过圆圈的中心。

(2)接下来是完成框架的其余部分，两端铜丝引线在距圆形小磁铁0.5 cm处弯折90°。之后，对比电池，框架应稍稍超过其高度，再弯折90°。做完这一步，框架已经完成三面，只剩下电池的上面，最后一边的框架由于要将铜丝末端拧在一起，需要的铜丝长度应多出1 cm，用剪刀将多余的铜丝剪去，并用钳子将末端拧在一起。

(3)将圆形小磁铁吸附在电池负极，小磁铁放置在框架的圆圈中，拧在一起的导线末端与电池正极接触。适当调节框架，使其与电池接触良好并稳定。

设计原理：

图2给出了线圈在圆形小磁铁产生的磁场中的受力情况，不难发现，此实验成功的关键在于线圈所受安培力并不随时间变化。另外，线圈框架对称的结构使得线圈在旋转过程中始终能够保持平衡，从而使线圈能够持续地转动。

图2 受力情况分析

2.1.2 类一模型2(见图3)

图3 类一模型2

制作说明：

(1)绕制线圈时，选定导线中间一点，然后将两端的导线紧密均匀地绕成方形导线圈(也可绕成圆形)，为了保证线圈的转速，导线的匝数最好在30圈以上。导线自由端在线圈中来回打个结，也可用胶带缠绕使其固定住。

(2)用锋利的小刀去除两个线圈自由端一半的绝缘层，即导线一半的侧面要保持绝缘，注意暴露的金属丝应朝向两侧相同方向。

(3)将线圈两端暴露出的金属丝伸进别针的小孔内，保持线圈伸直不弯曲。电池底座用橡皮泥粘在桌面上，用电工胶带将别针分别粘在电池的两极，使两别针触及电池的一极，别针的小孔在上端，绕好的线圈穿过别针小孔挂在电池的上方。

(4)用胶带将圆形小磁铁粘在电池的侧面，注意保证它的中心在线圈的正下方。此时给线圈一个正确方向的初始转动，就能看到它连续地转动下去。

设计原理：

金属线圈、别针和电池组成一个串联回路，导线环中的电流产生磁场，其方向可以通过右手定则确定。因为电流在导线产生的磁场不总是垂直于贴在电池上的磁体，导线的磁场中的一些部分被排斥，引起线圈持续旋转。去除线圈两端一半绝缘层是为了周期性地断开电路，否则线圈的磁场会因为与磁铁磁场相互吸引而停止转动。线圈连通时，线圈产生的磁场被固定磁铁的磁场排斥；而当线圈转到不排斥的位置时(线圈中电流为0)，会因为惯性而继续旋转直到相互排斥的位置。一旦移动，线圈可继续旋转直到电池没电。该线圈只能沿一个方向旋转的原因是错误的旋转方向不会造成磁场互相排斥，而是吸引。

2.2 类二：线圈作为定子，磁铁作为转子

所用器材：电池、绝缘电线、小刀、圆形小磁铁(多粒)、电工胶带、钳子、钉子(钢制)、记号笔、水管、垫圈、螺栓、胶水。

2.2.1 类二模型1(见图4)

图4 类二模型1

制作说明：

(1)用记号笔在圆形小磁铁上画斜杠(也可在钉子上串些彩色纸片)，这样做有助于观察磁铁的旋转。

(2)将圆形小磁铁吸附在钉子的钉帽上，并将钉子的尖端对准电池的正极(正、负极皆可)，需要注意的是钉子的材质需为铁或钢，而不能为铜。手握住电池或者用支架将其固定，钉子被磁化之后亦会吸附在电池上而不致脱落。

(3)将导线两端的绝缘层刮除后，一端用手压住导线使其与电池的正极(或负极)相连，另一端像一个刷子一样贴在圆形小磁铁的侧面上。

设计原理：

此模型与类一模型1基本一致，不再叙述。此实验中电池短接，导线中有一个大的电流，因而会变得非常热，可使用电工胶带将导线粘在电池电极上。与之前所述实验主要的差别是将定子和转子调换(前者线圈转动，后者磁铁转动)，钉子在这里的作用是其尖端使得转子(钉子与磁铁)与电池之间的摩擦力大为减小。实验中还可以调换电池两极(或磁铁两极)的正负，观察到磁铁旋转的方向反向。

2.2.2 类二模型2(见图5)

此模型又称纽曼电动机，是纽曼设计的一种直流电动机。其原理仍是利用磁场对通电导线有力的作用，历史上纽曼曾经宣称此电动机的能源来自铜导线圈的质量直接转化的可用的能量。实际上，纽曼电动机原理与其他类型的电动机原理并无二致。

制作说明：

(1)用胶水把圆形小磁铁以图5所示的形式粘在螺栓上，注意磁铁的南北极保持一个方向。

图5 类二模型2

(2)取暖水管子一截，从中心位置过中轴打穿两个孔，用来穿过螺栓。在其上用铜线绕制线圈，螺栓上部分绕制80圈，下部分绕制80圈。

(3)将铜线一端与螺栓连在一起，另一端连到电源的负极(电源电压为12 V)。螺栓的另一端可与一材质较硬的弹簧连接，并将弹簧连接到电源的正极，为了不影响螺栓的转动，注意不要将弹簧固定在螺栓上，只需保持接触即可。

此实验与其他的电动机原理并无差别，在此实验基础之上，还可尝试向用铜线绕制的线圈中加入一个LED灯，将其置于转动的磁铁上方，则会观察到LED灯被点亮，并且与磁铁的距离越近，亮度越大。

3 单极直流电动机实验制作教学的体会与反思

校本课程给了学生充分的时间对感兴趣的实物进行探索和钻研，学生在亲手设计和制作电动机模型的过程中会经历许多挫折，教师应放手让学生自己探究实践，使他们能通过自己的努力获得成功。本实验的制作和教学并非一蹴而就，教师反思后总结，可以分为原理设计、器材制备、交流展评三块内容，并将学生的作品在物理课堂教学中穿插展示，增强学生的成就感。

此外，电动机也是许多力学实验器材的重要元件，后续可以拓展探究任务。例如，利用自己制作的电动机组装一个电动小车，组装成功后可利用小车载重物来探究小车最大载重与哪些因素有关。这个过程既培养了学生的兴趣，又使学生的动手探究能力得到关注与培养。