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第15章 物理活动课内容选编(5)

杰克逊的讲解使莫尔斯产生了极大的兴趣。他想:“电流切断时能够产生电火花。有电火花是一种符号,没有电火花也是一种符号,没有电火花的时间长一些则又是一种符号。这样,运用三种符号就可以组合起来,代表数字或字母……这样,文字就能够通过讯号来传送了。”

莫尔斯投入了电报机的发明工作。他请教了着名的科学家亨利和贝尔父子。直到1837年,他创造了用电流切断与接通的不同组合来代表不同的字母的电码,人们称它为“莫尔斯电码”

。如字母“A”,只须将电键按一短一长,写作“·-”。单词Book,则需用电码的组合“-···,---,---,-·-”来表示。

下面就是代表各英文字母的莫尔斯电码的全文:

A·-B-···C-·-·D-··E·F··-·G--·H····I··J·---K-·-L·-··M--N-·O---P·--·Q--·-R·-·S···T-U··-V···-W·--X-···-Y-·--Z--··现在全世界通用的求球信号“SOS”,它是英文“SaveOurSouls”或“SaveOurShip”的缩写,表示“救救我们的灵魂”或“救救我们的船”

。在拍电报时只需按“···---···”发信号就可以了。

莫尔斯四十六岁那年,电报机发明成功了。为了置办设备,他向美国国会申请拨款三万美元,遭到了许多议员的嘲笑。莫尔斯不怕挫折,带着发报机到国会去表演,说服国会议员们。终于在1843年3月3日,国会同意拨款。

1844年5月24日,莫尔斯在华盛顿的国会大厦门前装好发报机及天线,按照预先约定的时间,向远在64千米远处的巴尔的摩市的助手发出了人类历史上第一份电报:“上帝创造了何等的奇迹。”

这个奇迹实际上并不是上帝创造的,而是莫尔斯在朋友们的支持下创造的。灵感加努力等于成功,莫尔斯走的就是这条路。从中你能得到什么启示吗?

制作一个简易恒温器我们知道,自动控制的主要装置是电磁继电器。在这里,我们学习安装一个简易的恒温器。

在生产和生活中,经常要使用恒温器,如电工孵化蛋,培养菌种等。我们只要使用一些简单的零件便可制作一个恒温器。

1器材废日光灯启动器一只,继电器一只,电炉一只,温度计一只,电池组一个,恒温箱一个。

恒温器必须有一个感温元件。我们利用废日光灯的启动器中的双金属片,可制成一个有效的感温元件。

将启动器的玻璃壳敲去,得到一个固定在玻璃球C上的金属棒B和U形双金属片A(图65)。U形金属片A由两层不同的金属制成,内层是膨胀系数较大的铜片,外层是膨胀系数较小的铁片。温度升高时,铜的膨胀程度比铁大,双金属片一端向外移动,A和B相互接触。温度降低时,双金属片一端向内移动,A与B分开。

为了制作恒温器的感温元件,我们用尖头钳把双金属片A弯到金属棒B的外面。(图66)。这样,温度升高后,双金属片一端向外移动,A与B分开。温度降低时,双金属片一端向内移动,A与B相接触。

2制作(1)将温度计插入恒温箱内,便于观察箱内温度。

(2)将双金属片安装在恒温箱的上方,将金属棒B和双金属片A的两根绝缘导线从箱内引出。

(3)将电炉接入工作电路,安装在箱的下方。

4原理:

连接电磁继电器线圈,双金属片和电池组的电路叫控制电路。而连接触点、绿灯、电炉、红灯和交流电源的电路叫工作电路。

接通控制电路,电磁铁中有电流通过,电磁铁吸引衔铁,触点1和触点3接通,恒温箱内电炉工作,红灯点亮。红灯点亮说明电炉在工作,电炉产生热量,箱内温度上升。当温度上升到一定值时,双金属片A和B分离,控制电路开路,电磁铁失去磁性,弹簧把衔铁拉上去,触点1和触点3断开,与触点2接触,电炉及红灯中无电流通过,电炉停止加热,红灯熄灭。绿灯中有电流通过,绿灯亮说明箱内电炉已停止加热。温度开始降低。温度下降,双金属片又接通。就这样,温度降低后,电炉工作;温度升高后,电炉又停止加热。恒温箱内能保持一定的温度。

电铃是怎么打响的?

小明是个爱动脑筋的孩子。这几天下课后,她总是在电铃下面观察、思考。我琢磨着,她一定在思考电铃是怎么打响的(图68)。

“小明,你在想什么?”

“王老师,我在想电铃是怎么会一下一下地打响的。”

“好孩子,肯动脑筋。”我夸奖着她“请跟我到实验室去。”

“电铃的构造很简单。它主要由电磁铁、衔铁、触点(螺钉)、铃和小锤组成。它的工作原理是运用电流的通断来控制电磁铁磁性的有无……”

没等我说完,小明抢着说:“老师,您让我先分析一下电铃的工作原理好吗?”

她指着示意图,滔滔不绝地说:“当你按下按钮时,电路就接通了。电流从电池组的正极出发,经过电磁线圈、衔铁、触点、按钮开关再到达电池组的负极。当电磁线圈通电后,由于电流的磁效应,电磁铁产生磁性,吸引衔铁,衔铁的一端的小锤敲击铃,铃被打响了一下,就在此时,由于衔铁被电磁铁吸住,触点与衔铁脱开,电路断开,电磁铁失去磁性,衔铁弹回去又与触点接触,电路接通,电磁铁产生磁性,又吸动了衔铁,铃又被打响了一下。”

我满意地对小明说:“对!你的分析很对。电铃之所以会被打响是因为电磁铁有磁性,吸动衔铁才打响了铃。它所以能一下一下不断地打是因为衔铁与触点的一通一断控制了电磁线圈的电流”。

“王老师,电铃的工作原理原来并不复杂。”

“对!”

没有车轮的列车吃晚饭时,小明缠住爸爸问道:“爸爸,请您告诉我,没有车轮的列车是怎么回事?”

“有一种列车没有车轮,靠磁场的作用推动它。这就是国外最近发明的无车轮的磁悬浮列车。”

这种列车的底部和铁轨分别设置了一个又一个电磁线圈。列车开动时,列车底部的电磁线圈产生磁场,铁轨下的电磁线圈也产生了磁场,两个磁场的极性正好相同,产生推力。列车不仅会由于磁场的相互推斥产生推力而悬浮起来,而且还能产生向前的推力,所以这种列车会迅速地向前运动。

这种列车行驶平稳,除空气阻力外无其他摩擦,无空气污染,无噪音,时速高达每小时五百千米。坐这种列车从上海到北京,全程只需两个多小时。预计这种列车一旦广泛使用,必定能改变交通拥挤的现象,也必定会受到人们的欢迎。”

“等我国有了这种列车,我一定要坐一次。”

“好!”

磁控玩具的奥秘小明在联欢会上看到一个有趣的玩具,操作者把一个彩球移动到一个绒制小猫面前时,小猫开始眨眼,头部、上肢和尾部开始动作,当彩球拿去后,小猫就停止眨眼和动作(图70)。

“这只小猫真不专心,有好奇的物品到了面前,它钓鱼就不安心了。这只小猫是怎么会产生动作的呢?”小明好奇地请教操作者。

“小猫身体内安装了一个干簧管,当内装磁铁的彩球靠近后就使电路由断路状态转变为通路状态,小猫就能眨眼和动作了。”

“什么是干簧管呢?”

“干簧管是一种电路元件,它未遇到磁铁吸引时呈现断路状态,也就是干簧管的两触点不接通,当磁铁靠近干簧管后,使内部两金属触点接通,呈现通路状态(图71)。

明。磁铁靠近干簧管,指示灯就发光,磁铁移开后,指示灯就熄灭。”

“那么,我只要买一只干簧管就可以做类似的实验了吗?”

“是的!”操作者高兴地说,“我向你介绍几个易做的类似的实验。

(1)遇路障会停的小汽车。

一辆玩具电动小汽车的前保险杠上装了一个干簧管连接入电路,用几根条形磁铁放在桌上代替路障。当小汽车靠近路障时,干簧管就由断路状态变为通路状态,继电器工作,使小汽车前灯发光,电动机停止转动,小汽车就静止不动了(图73)。

(2)磁控锁。

这是一种不使用钥匙的锁,它利用特定的卡片来控制电路。当这种卡片靠近门锁时,电路接通,使线圈通电,电磁铁产生磁性,吸动插销,门就可以被打开。假如没有这种卡片,电路就不可能接通,门也无法打开。

这种卡片是由塑料或其他非铁磁性材料制成。它由主人按特定的要求在上面镶嵌小型永久磁铁制成(图74)。把这种锁装在门的外面,表面上贴有一种非铁磁性材料(铜、铝或其他金属),使外来的人看不见其中的装置(图75)。门的里面装有七只干簧管组成的电路(图76),电路的两端A和B连接着电磁线圈的电路。七只干簧管分为两种,其中3、4、6、7为常闭干簧管。

无磁铁靠近时,干簧管通路;有磁铁靠近时,干簧管断路。干簧管1、2、5为常开干簧管。

无磁铁靠近时,干簧管断路;有磁铁靠近时,干簧管通路。

当使用这种磁卡卡片靠近锁时,三个小磁铁使干簧管1、2、5由断路变为通路,整个电路接通,电磁线圈通电,产生磁性吸动插销,门就可以打开了(图77)。

干簧管必须放在隐蔽、安全的地方,上面要覆盖不导磁的金属片,使别人无法在电路上做手脚。一般地说,由于两种干簧管的排列只有主人知道,旁人是无法把它开的,而且这个磁控锁平时并不耗电。”

10电话的发明者——贝尔亚历山大·格雷厄姆·贝尔是一位美国科学家,1847年3月3日出生于苏格兰的爱丁堡。

贝尔从小就对各种有趣的事物感兴趣,他的祖父知识渊博,经常带他玩,传授给他很多知识。在祖父的影响下,贝尔读书很用功。

贝尔在爱丁堡读了小学和中学,十七岁考入爱丁堡大学。他十八岁那年,父亲带着全家移居伦敦,他又进入了伦敦大学学习。1870年,全家迁居加拿大。1871年,他来到美国波士顿,1882年加入美国籍。

贝尔在波士顿工作期间,对哑语很有研究,并多次给聋哑人上过课。为了能使聋哑人开口说话,他做过很多实验来研究人的发声,最后他想到能不能靠电流来传递声音。

他不远千里来到华盛顿,向司密森研究所的老教授约瑟夫·亨利请教。亨利高兴地听了贝尔的介绍,了解了他的设想,鼓励贝尔先努力学习和钻研电学知识。贝尔听从了教授的教导,埋头自学并请了一位年轻的电学技师华特生当他研究的助手。

他和华特生各自在房间内安装了一台电话机,电话机之间用电线连接。经过多次实验,双方仍未听见对方的声音。1876年3月10日,贝尔又调整了实验装置,在电池中加了些硫酸,正在此时,由于不小心酸溅到了腿上,他感到一阵火灼似的疼痛,贝尔大声呼叫:“华特生,快来呀!”不料,隔壁房内的华特生竟听到了他的声音,连忙跑到贝尔身边,紧紧地拥抱贝尔,祝贺试验的成功。

就这样,历史上的第一台电话机被二位年轻人发明了。当时,他们二人的年龄相加只有47岁。历史上的第一次电话通话内容竟是贝尔的求救信号。

当时电话的问世还未引起人们的注意。1876年在美国费城举行了一次国际博览会,贝尔发明的电话机被送去参展。有一天,巴西皇帝彼得罗去参观,听了贝尔的介绍感到很好奇,把听筒拿了起来,听到听筒里的声音高兴地叫道:“我的上帝,他说话了!”皇帝的叫声使电话成了引人注目的展品。

100多年以来,人们对电话做了很多改进,电话越来越受到人们的重视和欢迎。

1922年8月2日贝尔在苏格兰逝世。

11指针式石英电子表中的步进电机我们知道,电动机在工农业生产和日常生活中应用十分广泛。在这里,向同学们介绍一种新颖的步进电机。

在指针式石英电子表里,步进电机把电能转变为机械能,带动指针及日历机构工作以显示时间。图78是步进电机的结构示意图,它由定子、转子以及线圈组成。

步进电机的转子用钐钴磁钢制成,定子用导磁率很高的玻莫合金制成,线圈是用直径为0025mm的高强度漆包线绕制的(10000圈以上)。目前应用广泛的是一种定子两极式结构,定子的两极中的一个稍微偏开约004mm,使磁场的作用线不通过转子轴。由于磁场的不平衡,能保证转子按一定的方向旋转。

电子表的电路产生一种双向脉冲信号(图79)。每一个脉冲信号能使转子旋转180°,而要使转子每转过180°后能继续按原来方向旋转,定子两极产生的磁场要与上一次相反,所以脉冲信号要双向的。

指针及日历机构连接着转子,随着转子的转动,它们就能显示时间了。这种电机在正常工作时,只需消耗很小很小的电能,所以电子表的电池一般能使用1-2年。

12发电机的变迁发电机是利用电磁感应现象制成的。有了它,我们可以得到源源不断的电能。

交流发电机的构造分为三部分:定子、转子和滑环。定子相当于电磁感应实验(图80)中的绕有铜线的圆筒,转子相当于条形磁铁。转子在定子中转动,从滑环,电刷上引出电流,交流发电机就是这样工作的。

在发电机刚刚问世时,它的构造不是这样的。它的定子是磁铁,转子是线圈(图81)。转子不停地转动,与磁铁间发生了相对运动,于是便产生了电流。这种发电机的转子太笨重,起动和转动都不方便,电压升高后滑环与电刷间会产生火花放电,因此无法得到高电压,也不能得到大电流。

人们对发电机作了改进,在定子的铁片上嵌线圈,让磁铁作转子。磁铁在线圈中转动,也有电流产生。这种发电机(图82)比原来那种轻便,效率也高一些。

虽经过上述改进,发电机还是不能提供大电流,即使用再好的导线作线圈,采用最好的磁铁,能得到的电流仍然很小,没有实用价值。

后来人们想到了这样的办法,利用电磁铁来代替磁铁,在发电机旁安装一台小型发电机,专门供电给大型发电机的转子,使转子产生强磁场。这个强磁场与嵌在定子中的线圈作相对运动,发电机就能产生较大的电流。

人们在此基础上又作了改进,在定子中嵌有多组线圈,让它们都与转子的磁场作相对运动,这种发电机就能产生更大的电流。现在的发电机中一般都嵌有三组线圈,这种发电机就叫三相交流发电机。

开展家庭物理实验

现行初中物理课本共有实验165个,它们分为三类:教师的演示实验,学生的分组实验,学生自备实验材料自行操作的小实验,无论哪类实验,目的都是为了帮助学生形成正确的物理概念,掌握物理规律,并通过实验教学提高学生的观察力和实验操作能力。但鉴于目前农村中学受各种条件限制,实验教学遇到很多困难,而开展家庭物理实验——教师根据教学内容,布置学生用易得到的器具,做一些生动有趣的物理实验,可以克服教学条件不足的困难,有利于提高教学质量。安徽旌德二中汪建设老师总结的做法是:

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