作者：陈希
物理教学 2009年12期
上教版高中《物理》必修高二第一学期教材的第97页有一个关于测定直流电动机的效率的学生实验，其表述是：请同学们利用下列器材（见图1）自己设计一个测定直流电动机效率的实验，看看该电动机的效率有多大？
图1
学生利用电动机效率的计算公式()思考后可设计出如下方法：
1.按照图1连接实验电路。
2.闭合开关，记录此时电流表的示数I和电压表的示数U。
3.直流电动机带动重物上升，上升过程可看作是匀速直线运动，因此牵引力F=G，利用米尺测量出重物上升的位移s，再利用停表测量出上升的时间t，根据匀速运动速度公式可得。
4.利用滑动变阻器改变输入电压和电流，多次测量电动机的效率，求平均值以确定最终的结果。
一、该实验在教学过程中出现的问题
电动机带动重物上升的过程中，重物由静止到运动是一个很明显的加速过程，如果将其也归于匀速运动则会对实验带来很大的误差，学生在探究的过程中也很难接受；用停表来人为测量重物上升的时间则很难把握计时与电动机工作的同步，造成时间测量失准；电流表和电压表在测量时示数不稳定，准确读数有一定困难。这些都会影响实验的结果。
二、实验改进方案
基于该实验的上述不足，笔者利用DIS实验系统对其进行了改进，现将其介绍如下：
1.实验器材及装置
图2
如图2所示：将电流表和电压表分别换为电流传感器和电压传感器。将直流电动机固定在水平放置的木板上，木板的一端固定一个定滑轮。选取一条长度为0.8～1.2m的细线，使其一端连接DIS位移传感器的发射器，另一端固定在直流电动机的长转轴上。细线跨过定滑轮，将连接着发射器的一端悬空竖直放置。把位移传感器的接收器固定在水平地面上（接收器嵌在可稳定放置的泡沫中）。
2.实验操作及结果
(1)如图2所示要装好装置，将数据采集器与电脑连接起来。
(2)在电脑中打开DISLab界面选择通用软件，进入“绘图”方式显示，设置x轴为“时间”，y轴为“位移”。
(3)点击界面中“计算表格”按钮（此界面中默认了位移、电流、电压以及时间t四个物理量的表格），设置时间间隔为0.1秒，打开位移传感器的发射器开关，然后单击“开始”按钮，同时按下电路中的铡刀开关，发动机开始工作。当发射器上升了一段位移之后，单击“结束”按钮，测量结束。表格中记录了一系列的数据电动机工作时的电流和其两端的工作电压在数据中都有所记录。选取较为稳定的两个数据进行记录。（如图3中的0.15A和6.95V）
图3
图4
(4)单击“绘图”，在弹出的对话框中将x轴设置为时间t，将y轴设置为，同时取消“画离散点”。这时弹出了和刚才数据相对应的图像。根据s-t图像原理，物体匀速运动时对应的应是一条倾斜的直线。因此，可以利用。DIS实验中的图像选取功能，将图像中作为接近直线的一段选出（参考图4）。
(5)单击“拟合”按钮，选择线性拟合(y=kx+b)，可得到针对选择区域的拟合图像（如图4所示）。此时在控制面板的图线选择框中给出了一次拟合的函数式（如图5），其中k的值就是传感器匀速上升速度v的大小。
图5
(6)用天平测量出位移传感器发射器的质量，利用公式可求出电动机的机械效率。
(7)改变滑动变阻器的阻值，使输入功率改变，多次测量电动机的效率值，然后求取其平均值。测量结果如表所示，可算出最终的电动机的效率为55.47%。
3.注意事项
(1)测量前，悬空的发射器要尽量保持静止，连接发射器的细线不宜过长；
(2)测量前，接收器和发射器的信号口要保持相对；
(3)根据图像描绘的情况，使用“y轴缩放”按钮，对图像进行适当缩放，保证图线的重点部分（倾斜直线部分）清晰，有利于直线的截取；
(4)本实验所选取的电动机额定电压为12V，若额定电压过小则重物很难被电动机提起。
4.实验优点
(1)利用DISLab系统特有的截取图像计算斜率的功能，有效地避免了传感器开始上升时的加速过程。
(2)避免了停表计时缺乏同步性而造成的误差。对实验的精确性和可行性有较大的改善。
(3)利用电流和电压传感器准确地记录电动机在工作过程中的电流和电压，增强了这两个物理量在本次实验中的可读性。
作者介绍：陈希，青浦第一中学（上海 201700）。