電導式教學中的探究

電導式教學中的探究

在“電磁線運動在磁機中”的實驗研究中，作者以實驗為研究對象，得出了一些實驗結論，并與同事進行了聯(lián)合研究。此實驗一般采用懸線式和導軌式兩種方式.1細漆包線焊好制作與實驗:將細而輕的銅芯線截取一段(約10cm長,Φ1mm),在其兩端用細漆包線焊好,如圖1所示,將銅導線放于U形磁鐵中間,通電后,就能見到很明顯的擺動現(xiàn)象,效果明顯.實驗時,筆者發(fā)現(xiàn)用較長的導線,圈成U形后,固定在鐵架臺上通電也能有此良好的效果,不必特意制作,可以就地取材.在此不作進一步的研究.2區(qū)域衛(wèi)生導電體的選擇如圖2所示,用導軌實驗是讓通電導體在水平方向滾動,一般導體可以是圓柱體、圓管、帶輪導體三種.下面就用導軌做實驗時可選擇的這三種導體作一下研究.(1)氧化鋁絕緣層的產生優(yōu)點:用實驗室現(xiàn)成的鋁圓柱體,不必特意制作.導體較大,可視性較好.缺點:用實驗室現(xiàn)成的鋁圓柱體做實驗時,導體與導軌用砂皮磨光,通常用穩(wěn)壓電源、蓄電池做實驗,設備要求高,實驗難度大,鋁導線與導軌之間的接觸又不是很好.經實測,要使導體滾動的最小電流要求在3A以上,用一般的干電池供電效果差.究其原因:①利用鋁材料作為導體導致接觸電阻較大:經砂皮打磨后的鋁導體,接觸電阻有所改善,但當有一個小的滾動時,很容易在滾動過程中出現(xiàn)火花,導致氧化鋁絕緣層的產生,最終影響實驗效果;②圓柱體質量較大是效果不佳的最直接原因:雖然用鋁材料密度小效果將有所改善,但圓柱體這種形狀本身決定了它的效果.若設圓柱體的質量為m柱,半徑r,(如圖3所示)則圓柱體對接觸點D的轉動慣量ID=12mΙD=12m柱r2+m柱r2=32m=32m柱r2.質心加速度aC柱決定了導體在磁場中起動的原因,當磁感強度B一定、通過導體的電流I相等、導體有效長度L相等時,導體在磁場中的受力F=BIl一定相等.則當圓柱體只滾不滑、摩擦不計時,導體的質心加速度aC柱=rβ,又Fr=IDβ,消去角加速度β,得圓柱體的質心加速度aC柱=Fr2ID=Fr232m柱r2=2F3m柱.aC柱=Fr2ΙD=Fr232m柱r2=2F3m柱.同理對于圓筒、圓輪導體,分別有如下的轉動慣量和質心加速度:圓筒導體對接觸點D的轉動慣量ID=m筒r2+m筒r2=2m筒r2.質心加速度aC筒=Fr2ID=Fr22m筒r2=F2m筒aC筒=Fr2ΙD=Fr22m筒r2=F2m筒.圓輪導體對接觸點D的轉動慣量ID=m輪R2+m輪r2=m輪r2.(兩個圓墊片的質量不計,導線半徑R?r)質心加速度aC輪=Fr2ID=Fr2m輪r2=Fm輪aC輪=Fr2ΙD=Fr2m輪r2=Fm輪.由上述三式可得,在F一定時,aC與導體的形狀、導體的質量有關,即形狀和質量這兩個因素決定了實驗的效果,質量是最關鍵的因素.③導體與導軌間的滾動摩擦也不可忽視:圓柱體質量較大,起動時的滾動摩擦相應要比其它兩種導體要大.這一因素還是要歸結到導體的質量上.(2)幾種方法的對比制作方法:考慮到上述兩個因素,筆者采取質量較小的圓筒形與圓輪做實驗來研究,自制了鋁管,方法是取香煙盒中的鋁箔紙,將它卷在實驗室原有的鋁圓柱體的外面,在中間用膠帶紙粘合.注意,因為它易變形,不要做得太大,太大了不易做圓,質量又大,效果反而不是太好,“輕”是原則.實驗效果:放于實驗室原有的導軌上做,起動電流在0.4A以下,效果十分明顯.優(yōu)點:此方法取材容易,制作方便,可隨用隨做.而且電源要求不高,只要用兩節(jié)干電池輸電已足夠,也可作為學生的課外小制作.缺點:鋁管雖然制作方便,但在制作時應考慮到接觸電阻和圓管的圓形,由于圓管是由鋁箔制作,很簿,易變形,取放時不能用力過大,制作前應用軟紙將鋁箔表面擦平,擦干凈.使其在實驗時接觸電阻盡可能小一些,因為制作好后,一般不能用砂皮擦拭.(3)圓輪導電的制作制作方法:本人也制作了圓輪導體,如圖4所示,取等大的小銅墊片兩個,銅芯線一根9.5cm(與實驗室導軌間隔相等),去其絕緣層,用焊錫先在銅墊片上焊一細銅線,將墊片孔如θ形焊接,然后用銅芯線將小墊片連接起來,做成圓輪導體.接著用5mm×90mm的敷銅板2塊,用較粗的銅線將它們分別焊接,以圓輪導體的長度作為間隔固定在三夾板上,焊上接線柱,完成制作.在使用時,將平板導軌和圓輪導體的圓輪邊緣用砂皮打磨光滑,接著將圓輪導體在水平玻璃板上來回滾動,適當調節(jié),使其不致偏心.實驗效果:起動電流在0.8A-1.0A之間,可用兩節(jié)干電池作電源.現(xiàn)象較明顯.優(yōu)點:圓輪導體的優(yōu)點在于它質量較小,沒有無用的長度和質量,輪用銅制作,與導軌接觸較好,實驗效果較好.缺點:制作難度大,導體太細,也易偏心,調整時不易,后排學生看不太清楚.建議連接兩輪的導線改用鋁導線,這樣可進一步減小質量,但用鋁時,焊接比較困難.上述三種方法,效果最好的要算圓筒導體了,表1所示的實驗數(shù)據就能說明一切.綜觀通電導體在磁場中運動的實驗探索過程,給我很多啟迪.實驗前,應對實驗進行充分的準備,多