自制教具研究电动机的反电动势和输出效率

自制教具研究电动机的反电动势和输出效率

山东省邹城市第一中学 陈霞

电动机的反电动势问题、输出效率问题是教学难点，为此我们做了两块演示实验板来帮助学生理解，课堂教学效果很好。该教具还在2010 年第九届全国中学物理教师自制教具评比活动中荣获一等奖。

第一块板实物图如图1所示，电路图如图2所示。所需器材有减速电机（从电动玩具上拆下来即可），需在转轴上装上摇把、零刻度在中间的电流表、两个灯泡及灯座、直流电源、电键，连成图2所示电路。

一、实验操作：

1. 闭合电键，给电动机M 供电，会发现电动机逆时针转动，电流表指针向左偏，灯L1、L2正常发光。抓住电机转轴，使其卡转，会明显发现灯L1变暗、L2变亮。这会引起学生的疑问，为什么会这样？

2. 断开电键，电动机M 与电流表A 、灯L1组成闭合回路。用手摇动电动机转轴，也使其逆时针转动。会发现灯L1发光，此时电流表的指针向右偏转。且电动机转动越快，灯泡越亮，电流越大。这会引发学生的热烈讨论。

二、现象分析：

先分析实验2，该实验说明电动机可以做发电机使用。线圈在磁场中转动时有感应电动势，且逆时针转动时感应电流方向向左。线圈转动越快，感应电动势越大，电流越大。

这样，在实验1中，当电动机通电后，其线圈在磁场中转动，线圈导线切割磁感线，产生感应电动势，由楞次定律可知，这个感应电动势的方向跟令线圈转动的电流方向相反，因此也跟外加电压的方向相反，这个电动势称为反电动势。电动机的线圈转动越快，反电动势越大。如果用E’表示反电动势，U 表示外加电压，R 表示线圈电阻，则I=(U-E’)/R ，并且有M

A

L1

L2

图2 图1

UI=IE’+I2R，其中的IE’表示电能转化为机械能的功率。显然只有线圈转动时，才有反电动势。当线圈卡转时，电动机相当于纯电阻，电路中没有了反电动势，电流增大，干路上的灯L1变亮、与电动机并联的灯L2变暗。

第二块板可定量研究电动机的输出功率及效率，需要用到光电计时器、电压传感器、电流传感器，绕在转轴上细线、重锤。电路图如图3所示。

M

电压传感器

电流传感器

利用电动机提升重锤，使其匀速通过光电计时器，测出其挡光时间及长度，利用计算机算出其速度，根据其质量算出mgv。将电压传感器、电流传感器的数据输入电脑，可由计算机算出其输入功率UI。

使电动机卡转，由U ’和I’计算出其内阻R。比较ＵＩ－Ｉ２Ｒ与mgv。可以直接出示其效率，这里mgv＜ＵＩ－Ｉ２Ｒ，原因是有内部齿轮之间、线与转轴之间的摩擦。

电源可以采用可输出3-12V直流电，可以很方便的改变电源极性的小变压器，电子商店中都有卖。它可以方便的使重物上升或下降，避免了缠线和取开线的繁琐，还可以测出不同电压下的输出功率及效率。

除了上述实验外，如果有电流传感器，老师们还可以做下面的实验，来演示示小电动机的启动、制动电流与正常工作时电流的关系。

选用废旧笔记本电脑上的排风扇作为教学用电动机，其额定电压是12V，但3节干电池也可使其转动起来，将电源、风扇和电流传感器串联起来，注意风扇上红线接电源的正极，黑线接负极，其正常工作时的电流可达70mA，为防止电流传感器超量程，应调整为200mA 的量程，选用示波功能，显示“电流-时间”图线，先按开始按钮，再闭合电键，可得到启动电流与正常工作时的电流的对比图；按住扇叶，不让其转动，马上会看到电流增大，松手后会变为正常。这表示电动机启动的瞬间和加负载时，反电动势小，电流大。也可用学生电源加滑动变阻器来控制电流，工作电压越大，电流的变化越明显。

图3