自制电学教具提升教学的有效性

作者：熊建新

来源：《中小学实验与装备》 2018年第1期

１ 引言

９年级物理教材中“家庭电路中电流过大的原因”是与学生生活紧密联系的课题,该课题包括３个内容:①家用电器总功率对家庭电路的影响;②短路对家庭电路的影响;③保险丝的作用.引导学生从理论上分析家用电器总功率过大、短路对家庭电路干路电流的影响并不困难.教学中可通过图片、视频呈现电路过载、短路造成火灾的事故,若是再做两个模拟电路过载、短路引发火灾的实验,效果更佳.家庭电路即使安装了空气开关、漏电保护器,也不能保证万无一失,空气开关、漏电保护器也有出故障或失灵的时候.在本节内容教学中加强安全用电、节约用电教育尤为重要.基于以上思考,笔者自制了一种电学教具,大大提升了教学的有效性.

２ 实验电路图及实物图

实验电路图如图１所示,实物图如图２所示.

３ 制作所需的器材及工具

长方体木板(６０cm×４０cm)１块,１号电池４节,电池盒４个,开关(带安装孔)２个,灯座(带安装孔)６个,灯泡(３．８V０．３A)６只,电炉丝(约３Ω)１根,铁杆或木杆(长约５cm)２根,鳄鱼夹２个,导线若干,螺钉若干,AB 胶,双面胶,起子,电烙铁,焊锡丝,手电钻,钻头(直径５ mm),铅笔,刻度尺等.

４ 制作方法

(１)根据实验电路图,在木板上适当的位置做上要安装元件的记号.

(２)在A 、B 处(间距约３cm)钻２ 个直径为５mm(比铁杆或木杆外径略大)的小孔,插入铁杆或木杆,用AB 胶粘牢,２ 根铁杆上分别插入鳄鱼夹.

(３)根据电路图安装固定其他电路元件,电池盒用双面胶粘在木板上,开关和灯座用螺钉固定.(４)用导线连接(或焊接)各元件.

５ 主要过程设计

５．１ 用自制教具演示及分析电路短路现象师(导入新课):播放家庭电路过载、短路造成火灾的视频.

师:展示教具,用PPT出示电路图.

师(演示):在电炉丝上插上火柴头,火柴梗向上,闭合开关S１(断开开关S２).

生:观察、描述实验现象(灯泡发光耀眼,火柴头未被引燃,如图３所示.

师:闭合开关S２,可能会有什么现象? 下面进行演示.

生:观察、描述现象(闭合开关S２ 后,过一会儿先观察到电路冒烟,然后听到噗呲一声,火柴燃烧起来,如图４所示.

师:火柴头被引燃,火柴燃烧的原因是什么?

生(讨论回答):闭合开关S２,灯泡被短路,电路R总减小,根据欧姆定律I＝U/R总,干路电流I增大,根据焦耳定律Q ＝I２Rt,电炉丝产生的热量迅速增大,达到火柴头着火点,使其燃烧起来.

５．２ 分析短路对家庭电路的影响

师:用PPT出示简化家庭电路图,如图５所示(未画出电能表及空气开关).

教师用PPT出示讨论问题:

(１)家庭电路若用电器短路,对干路电流有什么影响?

(２)家庭电路如果没装空气开关,发生短路会有什么危害?

(３)家庭电路装了空气开关,就绝对安全吗?

(４)哪些情况会发生短路?

(５)怎样防止发生短路?

学生讨论回答:

(１)干路电流过大.

(２)损害用电器和电路,引起火灾.

(３)不是绝对安全,也有出故障或失灵的时候.(４)导线绝缘皮被刮破、烤焦、破损、老化使火线和零线连通;检修时不小心使火线和零线连通;用电器进水等.

(５)导线绝缘皮被刮破、烤焦、破损、老化要及时更换;防止用电器进水.使用年限久的用电器要及时更换.

教师用PPT出示导线绝缘皮被烤焦、破损、老化的图片.

５．３ 用自制教具演示及分析电路同时使用的用电器过多产生的现象

师(演示):在电炉丝上插上火柴头,火柴梗向上,闭合开关S１,断开关S２.

生:观察、描述现象(灯泡发光耀眼,火柴头未被引燃).

师:将５个并联的灯泡与C、D 间的灯泡并联,再闭合开关S１,可能产生什么现象?

师(演示):断开开关S１,将５个并联的灯泡用２个两端是鳄鱼夹的导线与C、D 间的灯泡并联,再闭合开关S１.

生:观察、描述现象(闭合开关S１ 后,过一会儿先看到电路冒烟,然后听到噗呲一声,火柴燃烧起来,如图６所示.

师:火柴头被引燃,火柴燃烧的原因是什么?

生(讨论回答):５个并联的灯泡与C、D 间的灯泡并联,R 用电器总减小,电路R总减小,干路电流I 增大,根据焦耳定律Q ＝I２Rt,电炉丝产生的热量增大,达到火柴头的着火点,使其燃烧起来.

５．４ 分析同时使用的用电器总功率过大对家庭电路的影响

师:用PPT出示简化家庭电路图,如图５所示(未画出电能表及空气开关).

教师用PPT出示讨论问题:

(１)家庭电路同时使用的用电器总功率过大,对干路电流有什么影响? 为什么?

(２)家庭电路没装空气开关,同时使用的用电器总功率过大,有什么危害?

(３)装了空气开关也不是绝对安全,怎样才能防止用电器总功率过大?

(４)过多的用电器插在同一插座上,安全吗?为什么?

学生讨论回答:

(１)分析１:R 用电器总减小,电路R总减小,I干增大.

分析２:I干＝P 总/U ,U ＝２２０V,是一定的,P 总增大,I干增大.

(２)损坏电路,甚至引起火灾.

(３)避免同时使用过多的用电器或同时使用多个大功率(如空调、微波炉)的用电器.

(４)不安全.插座电源线电流会过大,电源线过热,绝缘皮可能燃烧,引起火灾.

教师补充:即使空气开关正常,如果存在电线线径偏细、电线绝缘层老化、接头接触不良等情况,在同时使用的用电器总功率偏大时,可能在空气开关切断电路之前,电路已起火.

５．５ 保险丝的作用

师:为了防止电路中电流过大,发生危险,在老式的家庭电路中安装保险丝,在一些仪器仪表(如学生电源)中安装保险管(里面有保险丝).

教师用PPT出示思考题:

(１)保险丝的作用是什么?

(２)制作材料是什么?

(３)保险丝在什么情况下正常工作,在什么情况下熔断?

生:阅读教材了解保险丝的作用,回答问题.师:投影保险管上标的额定电流到电子白板上,解释额定电流相关知识.

教师演示保险管中保险丝熔断.

拧下C、D 间的灯泡,用粗铜丝连接,C、D ,在A 、B 间接入额定电流１A 的保险管,在S１ 和B 之间接入“２０Ω２A”的滑动变阻器(滑片置于最大阻值处),闭合开关S１,慢慢调小滑动变阻器接入的阻值.

生:观察、描述现象(滑动变阻器接入的阻值接近零时,保险丝变红,随即熔断,粗铜丝没有明显变化,如图７、图８所示).

师:为了用电安全,禁止用铜丝、铁丝等熔点高的导线代替保险丝.

５．６ 学以致用

教师用PPT出示讨论问题:

(１)家庭电路用电器总功率增大,从安全角度考虑,干路上的导线应该换粗的还是细的? 为什么?(

２)家庭电路用电器总功率增大,对电能表有什么新要求?

学生讨论回答:

(１)导线应该换粗的,导线的材料、长度一定,较粗的导线电阻较小,根据焦耳定律可知产生的热量较少,更安全.

(２)I干增大,电能表应换标定电流更大的.６ 教具的优点

(１)电路简单,材料易得,制作容易.

(２)能完成多个演示实验,一具多用.

(３)操作简便,现象明显,火柴燃烧给学生印象深刻,实验时间短(火柴在１min内燃烧).

(４)电源电压只有６V,实验安全.

(５)电炉丝不会熔断,可重复使用.

７ 自制教具提升教学有效性的体现

(１)利用自制教具展示真实实验电路,吸引了学生的注意力,激发了学生的探究兴趣,为教学创造了良好的开端.

(２)让学生预测、观察描述、分析实验现象,调动了学生的学习积极性,培养了学生综合应用所学知识(电阻的串并联、欧姆定律、电功率、焦耳定律等)分析与解决问题的能力.

(３)火柴燃烧给学生留下了深刻印象,学生牢记电路过载和短路时是极其危险的,增强了学生安全用电、节约用电的观念.