简易直流电动机设计与制作
陈文同 孙丰富
摘 要： 简易直流电动机制作是 “电磁现象”的一个重要应用，对学生掌握电动机基本构造和工作原理起到抽丝剥茧、层层推进的作用.围绕简易直流电动机的工作原理、制作方法和对比理解，以及制作过程中出现的各种问题分析和处理技巧，使学生在有法可依的条件下成功完成制作，从而感受物理的科学之美.
关键词： 设计原理;对比理解;问题分析;处理技巧
鲁科版《物理》九年级下册“电磁现象”中学习电动机，在课堂演示直流电动机教学中，学生能较为直观的认识其主要结构和各个部分的作用，但对于初学的初中生来说真正掌握其工作原理较为困难，特别是关于“换向器”“平衡位置”“电刷”等附加结构概念理解存在思维障碍（无换向器）情况，再结合模型和挂图模拟演示，并配合课件讲解换向器作用和直流电动机原理[1].教材“做中学”环节设计有“让线圈转起来”的动手制作，但描述较为简洁，致使学生制作成功率较低.笔者在指导近几届学生制作过程中概括出常出现的问题和解决方法，总结一个便于学生动手操作的制作方案，方案围绕简易直流电动机的制作方法（工作原理）、制作器材和制作过程展开，对比实验室演示直流电动机，理解主要部件及其作用，解决上述问题.
1 演示直流电动机的工作原理
通电导线在磁场中会受到力的作用，如图1所示，当瞬间通断电路时导体ab会在磁场中运动，其力的大小由电流大小和磁场强弱决定.如图2所示把直导线换为通电线圈放入磁场中，根据左手定则可知线圈的ab、cd部分因会受到大小相等但是方向相反的两个力而转动起来.当转至平衡位置如图3所示ab、cd所受的力正好在一个平面，此时的力矩为零，由于惯性线圈会继续转动而转过平衡位置，但此后力的方向和运动方向相反，导致线圈在该位置往返晃
动，不能持续转下去，最终会停留在平衡位置[2].为使线圈持续转动，就必须改变ab、cd受力的方向，有两种方法可以实现：第一种方法是在平衡位置改变线圈中电流的方向;第二种方法是在平衡位置改变磁场的方向，且两者只能选其一.在实验室演示用直流电动机采用的方法1来改变线圈受力方向，如图4所示装置实现，该装置称为“换向器”， 由两个铜制半环组成，其作用是换向器同通电线圈在磁场中受力转动，且与连接电源两极的电刷相接触（如图5所示），当线圈利用惯性转过平衡位置时，两个半环实现位置完全互换达到线圈中电流方向改变的目的，致使线圈受力的方向发生改变，从而保持原来的转动方向继续转动，循环此过程解决了线圈在平衡位置受力平衡静止不转动的问题，实现了线圈的持续转动.
2 简易直流电动机制作
2.1 材料与工具
漆包线1.5m（可去电机维修店咨询），小刀1把，硬金属丝（铜丝为佳）约0.5m，泡沫板一块，一号干电池2节（带电池盒），导线若干，磁铁一块，单掷开关一个.
2.2 制作方法
（1）把漆包线绕制成约为3cm×2cm的矩形线圈，漆包线在线圈两端伸出约3cm的引线（如图6所示），然后用小刀刮两端引线，一端漆全部刮掉，另一端漆只刮掉一半（如图7所示）.
（2）用硬金属丝做两个支架，固定在泡沫板上，两支架分别用导线与电源的两极相连.
（3）把线圈放在支架上（如图8所示），磁铁放在线圈下，闭合开关观察线圈运动情况，用手轻拨动一下线圈，线圈就会不停的转动起来（如图9所示）.
2.3 制作简易直流电动机常出现的问题和解决技巧
常出现的问题有：一是线圈不转动，二是线圈有跳动现象或是很快停止转动.
造成线圈不转的原因通常有以下几个方面：（1）电路因引线端漆刮不干净出现接触不良，可在电路中串入一个发光二极管进行反接.（2）漆包线直径大且匝数多，造成引线与金属丝支架摩擦大，一般情况下线圈做成3cm×2cm的矩形或是椭圆形即可，匝数视漆包线直径大小自行调节，一般不超过5匝.（3）漆包线引线部分漆刮去的比例大，造成电路几乎一直处于通路状态，通常情况下引线一端全刮，另一端刮去一半，且注意尽量做到刮漆交界面与线圈所在平面垂直.
线圈出现跳动或是很快停止转动原因：很多同学兴致勃勃的做好线圈后便急着放入支架中，结果看到线圈晃动几下就停止或较长时间的处于晃动状态，其实这部分同学处在成功的边缘，他们忽略了线圈通电前的平衡性检测，即线圈在不通电的情况下可以自由地在水平方向静止平衡而非是竖直方向.制作时两根引线与线圈要在水平桌面上且使两根引线在同一直线上，同时使引线基本通过线圈中心，使线圈在以引线为转轴时能够保证平衡转动[3].
3 与实验室用“演示直流电动机”对比
实验室演示直流电动机工作原理在前面已做介绍，其主要构造如图10所示，在简易直流电动机中的引线漆是绝缘体，刮去以后，线圈中就会有电流，只有当线圈中有电流时，线圈才会受力发生转动，所以刮漆的目的是使线圈能够导电.采用引线另一端刮半周漆，从而实现电路处于断路状态和通路状态的交互，使线圈依靠自身惯性转过平衡位置，线圈的转动为加速和减速交替.因此，与实验室用“演示直流电动机”相比较，刮漆和使用换向器的作用是等效的，都是为了使线圈能够持续的转动下去，所以这刮半周漆就相当于换向器，两个支架（如图11所示）的作用则相当于“演示直流电动机”的电刷（图12所示）.
相比之下，该简易直流电动机对于如何实现持续的转动方法上更为简单，省去换向器、电刷的要求，学生采用身边易得的实验器材进行制作要求较低，但思路很清晰，从而实现直流电动机工作原理的掌握.通过制作简易直流电动机，使换向器等抽象概念的理解不再局限于文字的表述，而是学生真真切切观察和体会，当学生亲手制作的线圈转到起来时，他们收获的不仅仅是直接体验到成功的喜悦，更是对于动手能力的培养和自信心的提升.
初中阶段的物理教学，以培养学习物理的兴趣、掌握一定的物理方法、具备初步的物理思想和实验技能为主要目标[4].一个能利用所学物理知识自制简易直流电动机的同学，自然他对电动机的结构和工作原理掌握在心，更重要的是培养了一种从学习掌握科技知识到转化应用的意识，这样一个在 “体验中感悟、感悟中生成”的過程，正是物理学科核心素养的基本要求.
参考文献：
[1] 谢桂英.磁悬浮直流电动机和换向器原理直观演示仪[J].中学物理，2014，32（16）：33.
[2] 何慧颖，刘大诚，孙博.义务教育教科书（五.四学制）九年级下物理[M].济南：山东科学技术出版社，2012.
[3] 陈士元.直流电动机设计与制作[J]. 物理之友，2016，32（7）：29-31.
[4] 邓颖.巧用“实现指标”构建高效课堂[J].中学物理教学参考，2016，45（10）：67-69.
摘 要： 简易直流电动机制作是 “电磁现象”的一个重要应用，对学生掌握电动机基本构造和工作原理起到抽丝剥茧、层层推进的作用.围绕简易直流电动机的工作原理、制作方法和对比理解，以及制作过程中出现的各种问题分析和处理技巧，使学生在有法可依的条件下成功完成制作，从而感受物理的科学之美.
关键词： 设计原理;对比理解;问题分析;处理技巧
鲁科版《物理》九年级下册“电磁现象”中学习电动机，在课堂演示直流电动机教学中，学生能较为直观的认识其主要结构和各个部分的作用，但对于初学的初中生来说真正掌握其工作原理较为困难，特别是关于“换向器”“平衡位置”“电刷”等附加结构概念理解存在思维障碍（无换向器）情况，再结合模型和挂图模拟演示，并配合课件讲解换向器作用和直流电动机原理[1].教材“做中学”环节设计有“让线圈转起来”的动手制作，但描述较为简洁，致使学生制作成功率较低.笔者在指导近几届学生制作过程中概括出常出现的问题和解决方法，总结一个便于学生动手操作的制作方案，方案围绕简易直流电动机的制作方法（工作原理）、制作器材和制作过程展开，对比实验室演示直流电动机，理解主要部件及其作用，解决上述问题.
1 演示直流电动机的工作原理
通电导线在磁场中会受到力的作用，如图1所示，当瞬间通断电路时导体ab会在磁场中运动，其力的大小由电流大小和磁场强弱决定.如图2所示把直导线换为通电线圈放入磁场中，根据左手定则可知线圈的ab、cd部分因会受到大小相等但是方向相反的两个力而转动起来.当转至平衡位置如图3所示ab、cd所受的力正好在一个平面，此时的力矩为零，由于惯性线圈会继续转动而转过平衡位置，但此后力的方向和运动方向相反，导致线圈在该位置往返晃
动，不能持续转下去，最终会停留在平衡位置[2].为使线圈持续转动，就必须改变ab、cd受力的方向，有两种方法可以实现：第一种方法是在平衡位置改变线圈中电流的方向;第二种方法是在平衡位置改变磁场的方向，且两者只能选其一.在实验室演示用直流电动机采用的方法1来改变线圈受力方向，如图4所示装置实现，该装置称为“换向器”， 由两个铜制半环组成，其作用是换向器同通电线圈在磁场中受力转动，且与连接电源两极的电刷相接触（如图5所示），当线圈利用惯性转过平衡位置时，两个半环实现位置完全互换达到线圈中电流方向改变的目的，致使线圈受力的方向发生改变，从而保持原来的转动方向继续转动，循环此过程解决了线圈在平衡位置受力平衡静止不转动的问题，实现了线圈的持续转动.
2 简易直流电动机制作
2.1 材料与工具
漆包线1.5m（可去电机维修店咨询），小刀1把，硬金属丝（铜丝为佳）约0.5m，泡沫板一块，一号干电池2节（带电池盒），导线若干，磁铁一块，单掷开关一个.
2.2 制作方法
（1）把漆包线绕制成约为3cm×2cm的矩形线圈，漆包线在线圈两端伸出约3cm的引线（如图6所示），然后用小刀刮两端引线，一端漆全部刮掉，另一端漆只刮掉一半（如图7所示）.
（2）用硬金属丝做两个支架，固定在泡沫板上，两支架分别用导线与电源的两极相连.
（3）把线圈放在支架上（如图8所示），磁铁放在线圈下，闭合开关观察线圈运动情况，用手轻拨动一下线圈，线圈就会不停的转动起来（如图9所示）.
2.3 制作简易直流电动机常出现的问题和解决技巧
常出现的问题有：一是线圈不转动，二是线圈有跳动现象或是很快停止转动.
造成线圈不转的原因通常有以下几个方面：（1）电路因引线端漆刮不干净出现接触不良，可在电路中串入一个发光二极管进行反接.（2）漆包线直径大且匝数多，造成引线与金属丝支架摩擦大，一般情况下线圈做成3cm×2cm的矩形或是椭圆形即可，匝数视漆包线直径大小自行调节，一般不超过5匝.（3）漆包线引线部分漆刮去的比例大，造成电路几乎一直处于通路状态，通常情况下引线一端全刮，另一端刮去一半，且注意尽量做到刮漆交界面与线圈所在平面垂直.
线圈出现跳动或是很快停止转动原因：很多同学兴致勃勃的做好线圈后便急着放入支架中，结果看到线圈晃动几下就停止或较长时间的处于晃动状态，其实这部分同学处在成功的边缘，他们忽略了线圈通电前的平衡性检测，即线圈在不通电的情况下可以自由地在水平方向静止平衡而非是竖直方向.制作时两根引线与线圈要在水平桌面上且使两根引线在同一直线上，同时使引线基本通过线圈中心，使线圈在以引线为转轴时能够保证平衡转动[3].
3 与实验室用“演示直流电动机”对比
实验室演示直流电动机工作原理在前面已做介绍，其主要构造如图10所示，在简易直流电动机中的引线漆是绝缘体，刮去以后，线圈中就会有电流，只有当线圈中有电流时，线圈才会受力发生转动，所以刮漆的目的是使线圈能够导电.采用引线另一端刮半周漆，从而实现电路处于断路状态和通路状态的交互，使线圈依靠自身惯性转过平衡位置，线圈的转动为加速和减速交替.因此，与实验室用“演示直流电动机”相比较，刮漆和使用换向器的作用是等效的，都是为了使线圈能够持续的转动下去，所以这刮半周漆就相当于换向器，两个支架（如图11所示）的作用则相当于“演示直流电动机”的电刷（图12所示）.
相比之下，该简易直流电动机对于如何实现持续的转动方法上更为简单，省去换向器、电刷的要求，学生采用身边易得的实验器材进行制作要求较低，但思路很清晰，从而实现直流电动机工作原理的掌握.通过制作简易直流电动机，使换向器等抽象概念的理解不再局限于文字的表述，而是学生真真切切观察和体会，当学生亲手制作的线圈转到起来时，他们收获的不仅仅是直接体验到成功的喜悦，更是对于动手能力的培养和自信心的提升.
初中阶段的物理教学，以培养学习物理的兴趣、掌握一定的物理方法、具备初步的物理思想和实验技能为主要目标[4].一个能利用所学物理知识自制简易直流电动机的同学，自然他对电动机的结构和工作原理掌握在心，更重要的是培养了一种从学习掌握科技知识到转化应用的意识，这样一个在 “体验中感悟、感悟中生成”的過程，正是物理学科核心素养的基本要求.
参考文献：
[1] 谢桂英.磁悬浮直流电动机和换向器原理直观演示仪[J].中学物理，2014，32（16）：33.
[2] 何慧颖，刘大诚，孙博.义务教育教科书（五.四学制）九年级下物理[M].济南：山东科学技术出版社，2012.
[3] 陈士元.直流电动机设计与制作[J]. 物理之友，2016，32（7）：29-31.
[4] 邓颖.巧用“实现指标”构建高效课堂[J].中学物理教学参考，2016，45（10）：67-69.
