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[项目] 创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁

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教科版小学科学六年级上册的第三单元的内容为《能量》,主要学习电磁铁和能量。其中,在电磁铁部分,安排了一些演示实验和分组实验。在常规实验中,主要通过观察是否影响指南针的指向来感受是否产生了磁力,通过观察吸起的回形针的多少来感受磁力的大小。引进创客技术来改进实验方案,可以让实验条件与结果的相关性更加显著,还能对实验结果进行量化,以便为实验结果分析提供更充分的依据。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw1.jpg


       本案例选取了其中的两次实验进行展示,其他的实验仍可使用制作好的磁力检测仪结合常规实验方法完成。



总实验方案


       利用 micro:bit作为主控板*,通过外接磁感应传感器、LED灯、显示屏等模块搭建制作磁感应灯、磁力检测仪等装置,并结合常规的实验材料和方法进行创新性实验。

       *选择micro:bit作为主控板,是因为其板载了磁力计模块;使用其他主控板可能需要外接磁力计模块。


材料准备


【创客器材清单】

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw2.jpg


(1)3.6V电池及电池盒 1套

(2)micro:bit  1块

(3)IO扩展板   1块

(4)磁感应传感器 1个

(5)LED灯  1个

(6)显示屏 1个

【科学实验材料】


创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw3.jpg


(1)开关 1个

(2)电池盒  2个

(3)电池   2节

(4)铁钉  1根

(5)漆包线  1卷

(6)砂纸 1片

(7)磁钉 1个

(8)导线 4根



实验活动一:通电线圈


01 实验方案

       在micro:bit主控板上连接一个磁感应传感器和一个LED灯,再通过编程制作一个磁感应灯,当检测到周围环境中有一定的磁力时会自动亮起,否则为熄灭状态。

       使用电池、开关、线圈等材料搭建好电路,将线圈靠近磁感应传感器,观察开关打开和闭合状态下LED灯的状态,从而感知电流通过线圈能产生磁场的现象。

02 实验过程

【连接电路】

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw4.jpg


       使用其中的1节电池、1个电池盒、3根导线和开关、线圈连接成一个电路。注意,漆包线的两头需要使用砂纸进行打磨。

【制作磁感应灯】

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       先将micro:bit主控板按标识指示的方向插入扩展板插槽中,然后将磁感应传感器连接到引脚P1、LED灯连接到引脚P8上,并将板载蜂鸣器开关置于打开状态。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw6.jpg


       有条件的还可以制作一个底座,以便更好的固定电子模块,如上图所示。最后,接上电池,等待上传程序后调试。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw7.jpg


       使用Mind+软件进行编程,示例程序如上图所示。要实现的功能是:当磁感应传感器检测到一定强度的磁力(引脚P1输入值为1)时,让LED灯亮起,并通过蜂鸣器(默认引脚为P0)发出声音;否则,LED灯和蜂鸣器都不工作。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw8.jpg


       将程序上传到主控板后,打开电池盒和扩展板的电源开关,将磁钉放置在磁感应传感器边。如果LED灯和蜂鸣器都正常工作,则表明该磁感应灯制作成功。

【进行实验】

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       将开关置于断开状态,观察LED灯状态。

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       开关置于闭合状态,观察LED灯状态。

03 实验分析

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       当开关处于断开状态时,LED灯没有亮起;当开关处于闭合状态时,LED灯亮起,说明当电流通过线圈时产生了磁场。



实验活动二:电磁铁的磁力


01 实验方案


       在micro:bit主控板上连接一个显示屏,并利用板载的磁力计模块,再通过编程制作一个磁力检测仪,用来检测所处环境中的磁力的大小。

       使用铁钉和漆包线自制电磁铁,分别检测在不同条件下(线圈圈数、电流强度等)电磁铁的磁力的强度变化,从而找出可改变电磁铁磁力大小的因素。

02 实验过程

【制作磁力检测仪】

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       将显示屏模块连接到扩展板上的IIC引脚。

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       可以制作一个支架将显示屏固定在底座上。还可以制作一个电磁铁支架,实验时用来放置电池铁。设计支架的高度时需要参照micro:bit主控板板载的磁力计模块的位置(如下图所示),以达到较好的检测效果。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw14.jpg


创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw15.jpg


       使用Mind+软件进行编程,示例程序如图15所示。要实现的功能是:每隔1秒检测一次磁力值,并将结果显示在显示屏上。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw16.jpg


       将程序上传到主控板上,打开电源,测试磁力检测仪,看能否正常工作。

【进行实验】


【验证电磁铁磁力是否与线圈圈数有关】


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        将漆包线按同一方向缠绕在铁钉上,制成电磁铁。前后分多次,分别制作圈数不同的电磁铁。本实验中,制作了10圈、20圈、30圈三种电磁铁。

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       将制作好的电磁铁接到电路中,然后靠近micro:bit的磁力计模块,合上开关,观察并记录磁力值。

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       前后共进行了三次,分别对线圈为10圈、20圈、30圈的电磁铁进行检测,结果如图19所示,分别为515μT、1196μT、1443μT。

实验分析:

       在相同电源条件下,也就是在电流相同的条件下,改变电磁铁线圈的圈数后,我们会发现:线圈圈数多,磁力大;线圈圈数少,磁力小。

【验证电磁铁磁力是否与电流大小有关】


创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw20.jpg


       保持上一次实验的条件不变,即使用1节电池作为电源,电磁铁线圈的圈数仍是30圈。检测结果如下图所示,磁力值为1474μT。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw21.jpg


创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw22.jpg


       在原来的电路中再串联1节电池,使电源变成2节电池,电磁铁保持不变。再次检测磁力值,检测结果如下图所示,磁力值为2184μT。

创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁qw23.jpg


实验分析:

       在电磁铁不变条件下,也就是在电磁铁线圈圈数相同的条件下,改变电流的大小后,我们会发现:电流大,磁力大;电流小,磁力小。



后记


       电和磁的关系是非常奇妙的,很多小朋友都乐于研究。根据本案例的思路,相信小朋友们还可以继续研究出更多的电磁铁的性质。

       最后提醒大家的是,做这个实验很消耗电池,所以尽量在做好充分准备后快速完成检测工作,然后断开开关;而且通电后的线圈和导线等都会产生一定的热量,不要用手直接触碰电路中裸露的金属部件。建议在老师或家长的指导下完成!


帅猫  高级技师

发表于 2021-8-31 10:34:48

纠正一下,是线圈匝数
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怀若谷  中级技匠
 楼主|

发表于 2021-9-13 20:20:36

帅猫 发表于 2021-8-31 10:34
纠正一下,是线圈匝数

小学科学教材上用的是圈数
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