自制电学教具提升教学的有效性

湖北省武汉市楚才中学(430051) 熊建新

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(60 cm×40 cm)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(3.8 V 0.3 A)6只,电炉丝(约3Ω)1根,铁杆或木杆(长约5 cm)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5 mm(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?

图3 实验现象

图4 实验现象

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)。

图5 简化家庭电路图

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。

图6 实验现象

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＝220 V,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。

图7 实验现象

图8 实验现象

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1 A的保险管,在S1和B之间接入 “20Ω2 A”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1 min内燃烧)。

(4)电源电压只有6 V,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。