微型电动机系列实验装置的制作和使用

梁振华

摘   要：微型直流电动机在生活中有较多的应用，特别是在一些电动玩具中都有直流电动机。利用这些小型直流电动机制作的教具贴近生活，可以演示关于电动机和发电机的实验、非纯电阻电路特点、电动机中的电磁感应等现象。

关键词：电动机;电阻;电路

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）4-0052-3

1    非纯电阻电路演示装置

1.1    实验原理

实验电路图如图1所示，电路中的R为10 Ω的电位器，L1和L2是两只相同的小灯泡，灯泡L1和电动机M串联，灯泡L2和电位器R串联，再将两条支路并联。当电源接通后，两条支路的电压相等，使电动机停止转动时，此时电动机为纯电阻，调节电位器R，使两个小灯泡的亮度相同，即电动机的线圈电阻和电位器R的阻值相同;当电動机转动时，电路为非纯电阻电路，此时灯泡L2比灯泡L1亮，即经过电位器的电流大于经过电动机的电流。

1.2    制作方法

采用玩具中常用的小型电动机，并在电动机上安装了自制叶片，根据电动机的内阻选用了最大阻值为10 Ω的电位器。用5 mm厚的亚克力板制作了“⊥”型展示板，将电路图打印在不干胶贴纸上，并粘贴在展示板上。在展示板上对应位置打孔，将各器件安装在展示板上，如图2所示。

1.3    实验过程

（1）按住电动机转轴，闭合开关K，此时电动机不转动，调节电位器R，使灯泡L1、L2亮度相同。此时，电位器接入电路的电阻与电动机的内阻相同，通过电位器和电动机的电流相同。

（2）松开电动机转轴，使电动机正常工作，此时灯泡L1、L2亮度不同，灯泡L1变暗，灯泡L2亮度几乎不变。此时，通过电位器和电动机的电流不相等，经过电动机的电流不能用纯电阻电路的欧姆定律来计算。

（3）在电动机支路上接入电流传感器，电动机两端接入电压传感器，进行进一步的定量探究。

通过本实验可以让学生对纯电阻电路和非纯电阻电路的区别有具体的认识和理解。

2    电动机中的能量转换

2.1    电能转化为机械能和热能

利用此装置能够直观地观察到电动机在工作时，输出机械能的同时还有热量的产生。

2.1.1    实验原理

实验电路图如图3甲所示，电路中的电动机接在3 V电源两端，机械能以风扇的形式表现，在电动机表面安装温度测量探头，用温度计显示电动机工作时温度的变化。闭合开关后，电动机正常工作，风扇转动、输出机械能的同时，还会产生热量，温度计的示数会缓慢上升。

2.1.2    制作方法

电动机使用了玩具中常用的小型电动机，并在电动机上安装了风扇叶片。用5 mm厚的亚克力板制作的“⊥”型展示板，将电路图打印在不干胶贴纸上，并粘贴在展示板上。在展示板上对应位置打孔，将各器件安装在展示板上。

2.1.3    实验过程

闭合开关K，使电动机正常转动，用纸片或纸条放置在电动机前方，显示电动机对外输出机械功，电动机工作一小段时间后，可观察到温度计示数缓慢上升。即电动机工作的过程中电能转化为机械能和热能。

2.2    机械能转化为电能——手摇发电

2.2.1    实验原理

电动机的工作原理是通电线圈在磁场中受到安培力作用下转动，当线圈转动时会产生感应电动势，从而成为发电机。如图3乙所示的电路，将小灯泡L接在电动机两端，使电动机快速转动时产生电流，可使小灯泡L发光。

2.2.2    制作方法

将自动转向玩具车上的电动机和变速齿轮箱整体拆卸，在输出转轴上装上自制摇动手柄，变成手摇发电机，摇动手柄，可以使连接在电动机上的两个小灯泡发光。

2.2.3    实验过程

将简易手摇发电机接入电路，与小灯泡L构成闭合回路，摇动手柄使电动机快速转动，可观察到小灯泡发光，电动机转动越快，小灯泡L亮度越亮。机械能转化为电能。

3    电动机中的电磁阻尼

3.1    实验原理

电动机的线圈在磁场中运动会产生电磁感应现象，当电路闭合时会有电流产生，产生的感应电流会阻碍线圈的转动。

3.2    制作方法

本实验用电动机废旧光驱中拆下的小电机，按照如图4所示的电路将各器件安装在亚克力板“⊥”型展示板上。分别在两个电动机上安装自制线轴和直径约为10 cm、厚约为1 mm的铁质转盘（由切割片改装）。将一条系有小重物的细线绕在线轴上。

3.3    实验过程

（1）实验：电磁阻尼（如图5）

①将开关K断开，细线绕在线轴上，将小重物释放，电动机在重物的带动下快速转动，小重物快速下降。

②将开关K闭合，细线重新绕在线轴上，释放重物后，电动机在重物的带动下转动，对比开关K断开时，电动机的转动和重物的下落速度明显变慢。

本实验演示了当闭合回路发生电磁感应时，产生的感应电流会阻碍发生电磁感应的原因，即电动机转动时产生的感应电流阻碍电动机的转动。

（2）实验：电磁刹车（下转第55页）

（上接第53页）

①断开K2，闭合K1，使电动机转动，当电动机转速稳定之后，断开K1，可观察到电动机缓慢减速，大约需要60 s会停止。

②断开K2，闭合K1，使电动机转动，当电动机转速稳定之后，断开K1的同时迅速闭合K2，可观察到电动机的转速迅速减小，大约需要30 s会停止。

本实验演示了电磁阻尼实际应用的一种方式。

4    后   记

本系列电动机实验，利用实际生活中常使用的微型电动机，贴近生活实际，在实际使用过程中效果明显，能极大地激发学生的兴趣。

（栏目编辑    王柏庐）

收稿日期：2018-12-14

作者简介：梁振华（1981-），男，中学高级教师，主要从事高中物理教学和物理创新实验的研究，曾获全国自制教具能手称号。