巧用小型电动机做物理实验
我们日常生活中接触到很多小型电动机,如儿童电动玩具上、剃须刀具上等都有小型电动机,只要稍加注意就能够收集一些,配合各种电池,可用来做多种物理演示实验。 1演示“视觉暂留”现象 用硬塑料板或硬纸板做一个直径为20cm的圆盘,在圆盘的中心钻一个跟电机转轴大小相同的小孔,把圆盘安装到电机的轴上,在圆盘上再粘上与其大小相同的白纸。如果我们在白纸上用较粗的彩色笔画一条粗线,如图1所示,用日光灯照在圆盘上,接通电源使电机转动,并调整其转速,我们会看到在圆盘上出现各种形状复杂多变而又交织在一起的图案。 不同图案的出现是由于日光灯的周期性闪烁和人眼的“视觉暂留”的特性而产生的。所谓“视觉暂留”,是指物体在人们眼睛中所成的像,在物体移去后,视觉神经对于它的印象还会延续0.1s左右的时间。在日光灯亮的瞬间,圆盘上的线条处于各种不同的位置,由于人眼的“视觉暂留”作用,所看到的却是那些处于不同位置的线条组合起来的“图案”。
由“视觉暂留,的原理,我们还可以看到兔子进笼的现象。在小电机的转轴上套一根空圆珠笔芯,在笔芯上粘上一块10cmx20cm的长方形硬纸板,纸板正面画一只兔子,反面画方格,如图2所示。当电机转动起来速度由慢到快,我们可以看到兔子在进笼,最后被关到笼子里。这一现象也是人跳“视觉暂留”特性,一个图象在视网膜上的形象还没有消失,另一个图象又映人视网膜,两者叠加就形成了兔子进笼的印象。我们所看到的电影和电视就是根据这个原理实现的。 2单色光的混合实验 在小电机的转轴上安装一块如图3所示的三色圆盘,当三色圆盘随着电机快速旋转时,由于人眼的“视觉暂留”效应,看到的将是由三种颜色混台后所呈现的另一种颜色。如果调节三种颜色的面积比例,当其旋转时会呈现各种不同的颜色,在比例适当时,可以呈现出白色。我们所看的彩色电视,能够再现自然界绚丽多彩的景色,也就是依据了这种原理实现的。 3演示线速度的方向 在实验l装上塑料圆盘或硬纸盘后,接通电源让电机带动圆盘高速转动,然后用一支粉笔去接触圆盘的边缘,这时我们可以清楚地看到粉笔的粉末从接触点沿切线方向飞出,如图4所示。如果沿着圆盘边缘移动粉笔,我们可以看到,粉笔末总是沿着切线方向飞出。从这一现象说明,由于惯性的原因,粉末以被擦落时的速度做直线运动,则粉笔末飞出的方向就是圆盘与粉笔接触处的线速度方向。通过这样的演示,我们看到了线速度总是沿切线方向。 4演示受迫振动和共振 将小电机绑在一根钢锯条上,把钢锯条的两端分别用小木块支起,如图5所示。为了使电机在转动过程中有较大的振动,用一个鳄鱼夹夹在转轴上,作为偏心轮。演示时先接通电源,改变滑动变阻器的阻值,就可调节电机的转速,即可以改变策动力的频率。当转速慢时钢锯条的振动频率也慢,转速加快时钢锯条的振动频率加快,这说明受迫振动物体的振动频率等于策动力的频率,并随着策动力的频率变化而变化。当我们调节到电机的转动频率与钢锯条的固有频率相同时,钢锯条的振幅达到最大,这就是共振现象。 5演示反电动势的现象 将小电机、小灯泡、电流表、电压表和小开关用导线连接成如图6所示的电路。利用这个电路可以演示反电动势的存在及其对电路的影响。 闭合开关S,使电路接通电机开始转动,小灯泡发光较暗,电流表和电压表都有一定的示数。如果这时用手指轻压电机的转轴,以增加电机的负载,随即可以看到电动机的转速减慢,小灯泡发光增强,电流表的示数增加,电压表的示数减小。若用手指紧握电动机的转轴,使之停止转动,这时小灯泡最亮,电流表的示数最大,电压表的示数很小,只有零点几伏。 以上现象说明,在电动机转动时,由于电磁感应会产生一个与外加电压方向相反的电动势,即反电动势。E反=BLv,与转速成正比,这时回路中的电流为:I=(E-E反)/(R+r)。可见电动机的转速越大,反电动势越大,电流越小,小灯泡越暗。在电动机不转动时,反电动势为零,电流达到最大值,小灯泡最亮。 6演示电磁阻尼作用 如图7所示,在小电机的转轴上安装一个彩色塑料片。接通道路后,彩色塑料片将随电动机转子一起转动,在转速稳定后,断开电源,我们可以看到,转子要经过一段较长的时间才能停止转动。 如果我们再接通电源,当转动稳定后,在断开电源时,立即将电动机的转子线圈短接,即把图7中b点的导线拉到a点处连接,使电动机中的线圈短路。这时由于转子线圈组成了闭合电路,当转子在定子磁场中转动时,因转子线圈中磁通量的变化,其线圈内会产生感应电流。根据楞次定律,这一感应电流必将使线圈受到阻力矩的作用,转子将很快地停止转动。这就是所谓的“电磁阻尼”作用。 对于应用小型电动机可以做的物理实验还有很多,如高中物理课本中的“研究玩具电动机的转化”的学生实验也以可用,笔者就不一一举例了。
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