電導(dǎo)式教學(xué)中的探究

電導(dǎo)式教學(xué)中的探究

在“電磁線運(yùn)動(dòng)在磁機(jī)中”的實(shí)驗(yàn)研究中，作者以實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，得出了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并與同事進(jìn)行了聯(lián)合研究。此實(shí)驗(yàn)一般采用懸線式和導(dǎo)軌式兩種方式.1細(xì)漆包線焊好制作與實(shí)驗(yàn):將細(xì)而輕的銅芯線截取一段(約10cm長,Φ1mm),在其兩端用細(xì)漆包線焊好,如圖1所示,將銅導(dǎo)線放于U形磁鐵中間,通電后,就能見到很明顯的擺動(dòng)現(xiàn)象,效果明顯.實(shí)驗(yàn)時(shí),筆者發(fā)現(xiàn)用較長的導(dǎo)線,圈成U形后,固定在鐵架臺(tái)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(jìn)一步的研究.2區(qū)域衛(wèi)生導(dǎo)電體的選擇如圖2所示,用導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)是讓通電導(dǎo)體在水平方向滾動(dòng),一般導(dǎo)體可以是圓柱體、圓管、帶輪導(dǎo)體三種.下面就用導(dǎo)軌做實(shí)驗(yàn)時(shí)可選擇的這三種導(dǎo)體作一下研究.(1)氧化鋁絕緣層的產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn):用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的鋁圓柱體,不必特意制作.導(dǎo)體較大,可視性較好.缺點(diǎn):用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的鋁圓柱體做實(shí)驗(yàn)時(shí),導(dǎo)體與導(dǎo)軌用砂皮磨光,通常用穩(wěn)壓電源、蓄電池做實(shí)驗(yàn),設(shè)備要求高,實(shí)驗(yàn)難度大,鋁導(dǎo)線與導(dǎo)軌之間的接觸又不是很好.經(jīng)實(shí)測(cè),要使導(dǎo)體滾動(dòng)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(dǎo)體導(dǎo)致接觸電阻較大:經(jīng)砂皮打磨后的鋁導(dǎo)體,接觸電阻有所改善,但當(dāng)有一個(gè)小的滾動(dòng)時(shí),很容易在滾動(dòng)過程中出現(xiàn)火花,導(dǎo)致氧化鋁絕緣層的產(chǎn)生,最終影響實(shí)驗(yàn)效果;②圓柱體質(zhì)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(shè)圓柱體的質(zhì)量為m柱,半徑r,(如圖3所示)則圓柱體對(duì)接觸點(diǎn)D的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ID=12mΙD=12m柱r2+m柱r2=32m=32m柱r2.質(zhì)心加速度aC柱決定了導(dǎo)體在磁場(chǎng)中起動(dòng)的原因,當(dāng)磁感強(qiáng)度B一定、通過導(dǎo)體的電流I相等、導(dǎo)體有效長度L相等時(shí),導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力F=BIl一定相等.則當(dāng)圓柱體只滾不滑、摩擦不計(jì)時(shí),導(dǎo)體的質(zhì)心加速度aC柱=rβ,又Fr=IDβ,消去角加速度β,得圓柱體的質(zhì)心加速度aC柱=Fr2ID=Fr232m柱r2=2F3m柱.aC柱=Fr2ΙD=Fr232m柱r2=2F3m柱.同理對(duì)于圓筒、圓輪導(dǎo)體,分別有如下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心加速度:圓筒導(dǎo)體對(duì)接觸點(diǎn)D的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ID=m筒r2+m筒r2=2m筒r2.質(zhì)心加速度aC筒=Fr2ID=Fr22m筒r2=F2m筒aC筒=Fr2ΙD=Fr22m筒r2=F2m筒.圓輪導(dǎo)體對(duì)接觸點(diǎn)D的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ID=m輪R2+m輪r2=m輪r2.(兩個(gè)圓墊片的質(zhì)量不計(jì),導(dǎo)線半徑R?r)質(zhì)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(shí),aC與導(dǎo)體的形狀、導(dǎo)體的質(zhì)量有關(guān),即形狀和質(zhì)量這兩個(gè)因素決定了實(shí)驗(yàn)的效果,質(zhì)量是最關(guān)鍵的因素.③導(dǎo)體與導(dǎo)軌間的滾動(dòng)摩擦也不可忽視:圓柱體質(zhì)量較大,起動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)摩擦相應(yīng)要比其它兩種導(dǎo)體要大.這一因素還是要?dú)w結(jié)到導(dǎo)體的質(zhì)量上.(2)幾種方法的對(duì)比制作方法:考慮到上述兩個(gè)因素,筆者采取質(zhì)量較小的圓筒形與圓輪做實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室原有的鋁圓柱體的外面,在中間用膠帶紙粘合.注意,因?yàn)樗鬃冃?不要做得太大,太大了不易做圓,質(zhì)量又大,效果反而不是太好,“輕”是原則.實(shí)驗(yàn)效果:放于實(shí)驗(yàn)室原有的導(dǎo)軌上做,起動(dòng)電流在0.4A以下,效果十分明顯.優(yōu)點(diǎn):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(xué)生的課外小制作.缺點(diǎn):鋁管雖然制作方便,但在制作時(shí)應(yīng)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(shí)不能用力過大,制作前應(yīng)用軟紙將鋁箔表面擦平,擦干凈.使其在實(shí)驗(yàn)時(shí)接觸電阻盡可能小一些,因?yàn)橹谱骱煤?一般不能用砂皮擦拭.(3)圓輪導(dǎo)電的制作制作方法:本人也制作了圓輪導(dǎo)體,如圖4所示,取等大的小銅墊片兩個(gè),銅芯線一根9.5cm(與實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)軌間隔相等),去其絕緣層,用焊錫先在銅墊片上焊一細(xì)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(dǎo)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(dǎo)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(shí),將平板導(dǎo)軌和圓輪導(dǎo)體的圓輪邊緣用砂皮打磨光滑,接著將圓輪導(dǎo)體在水平玻璃板上來回滾動(dòng),適當(dāng)調(diào)節(jié),使其不致偏心.實(shí)驗(yàn)效果:起動(dòng)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(diǎn):圓輪導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)在于它質(zhì)量較小,沒有無用的長度和質(zhì)量,輪用銅制作,與導(dǎo)軌接觸較好,實(shí)驗(yàn)效果較好.缺點(diǎn):制作難度大,導(dǎo)體太細(xì),也易偏心,調(diào)整時(shí)不易,后排學(xué)生看不太清楚.建議連接兩輪的導(dǎo)線改用鋁導(dǎo)線,這樣可進(jìn)一步減小質(zhì)量,但用鋁時(shí),焊接比較困難.上述三種方法,效果最好的要算圓筒導(dǎo)體了,表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就能說明一切.綜觀通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探索過程,給我很多啟迪.實(shí)驗(yàn)前,應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的準(zhǔn)備,多