渗透技术教育的高中物理教学探讨①——以“互感”教学为例<br/>

渗透技术教育的高中物理教学探讨①——以“互感”教学为例

2021-11-13

物理之友 2021年8期

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏银川 750021)

1 引言

技术是科学、工程和数学的应用，主要解决“如何做”的问题。笔者在“互感”的教学中渗透技术教育，创设情景,引入新课,运用创新实验进行教学,顺利完成了“互感”的实验探究,着重体现物理学的应用性与实践性。以“无线充电技术”为例,从无线充电技术的产生背景、定义、原理、应用等方面进行简要阐述,促进学生对电磁感应定律的深刻理解。物理学科核心素养的“科学态度与责任”中包含了技术的要素,在本节课的教学中,学生在教师的引导下完成从科学探究到技术应用的有效衔接,通过“知识—构建—设计—应用”的过程,提升高中生的物理学科核心素养。

2 “互感”的教学过程

2.1 电影导入，激发兴趣

播放电影《致命魔术》的片断,这部电影主要讲述了在魔术盛行的维多利亚时期著名科学家特斯拉的故事。电影中的魔术师手里拿了一个大灯泡,在没有用电线的情况下,大灯泡被点亮了,使现场的观众惊呼:“魔法，真正的魔法!”

教师提问:在刚才的影片片断中,我们观察到灯泡亮了。请同学们思考:灯泡为什么会被点亮?接下来老师将用物理知识为大家进行讲解。

设计意图:中学生的好奇心很强,喜欢新鲜的东西,引入此电影片断,播放与互感有关的“魔术”现象,以此激发学生的学习兴趣。

2.2 实验演示,引发思考

师:老师在第一次看到这部电影时和大家的感受一样,颇为惊讶,不过在经过短暂的思考和分析后,便知其所以然,接下来就让我们一起探究吧!

教师演示:将一个灯泡与线圈连接,放在正在工作的电磁炉上,学生发现小灯泡亮起来了。

师:图1是电磁炉的内部结构图,当接通交流电源时,线圈中便有了电流。但连接灯泡的线圈并没有和电磁炉中的线圈相连接,小灯泡为何会亮起来呢?

图1

设计意图:日常生活与物理学密不可分,用生活中的实例进行课堂教学,引导学生用所学知识分析实验现象,逐步概括出互感的定义,并指出互感的本质就是电磁感应现象,体现了“从生活走向物理”的课程理念。

2.3 新课教学,讲解知识

(1)引导学生总结出相关结论:没有用导线连接的两个线圈之间,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势,我们把这种现象叫做互感,由互感现象产生的感应电动势叫做互感电动势,互感现象实质上是电磁感应现象。

(2)利用互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈。如变压器由铁芯、原线圈(初级线圈)和副线圈(次级线圈)构成,应用了互感原理。在电力工程和电子线路中,互感有时会影响电路的正常工作,需设法减小互感的危害。

2.4 揭秘演示实验,加深理解

电磁炉里有多匝密绕线圈,接通交流电源时，线圈中的电流发生变化，产生了变化的磁场，会在悬空放在电磁炉上方的线圈中产生感应电动势,应用了互感原理(图2)。

图2

2.5 自制教具,深入探究

(1)教具制作材料

一根完整的耳机线,一根改装的耳机线,一根改装的音频线,一台音频放大器,一部手机，两个匝数不同的螺线管(图3)。

图3

(2)实验原理

如图4所示，左侧部分是音频产生与放大电路,右侧部分为功率放大器,A为初级线圈,B为次级线圈。由互感原理可知:互感电动势的大小正比于穿过线圈磁通量的变化率。手机播放音乐时,电信号经过音频放大器放大,成为较强的交变电流信号,在线圈A中产生变化的磁场,通过互感在线圈B中感应出交变电流,从而使音箱发声。

图4

(3)创新之处

手机发出的音频信号不经放大,声音一般很小,难以达到预期的演示效果,设计过程中加入一个放大电路，不但提高了音质,还减小了失真现象。

3 技术应用

21世纪是通讯的时代,在科学技术飞速发展的今天,手机从刚开始的“大哥大”发展到今天集多种功能于一体的智能手机。智能手机为我们带来便利的同时也伴随着频繁的充电，考虑到人们的现实生活需求,无线充电技术应运而生。

3.1 无线充电技术的定义

无线充电,即感应式充电、非接触式充电、无线式充电,是不以金属导线或物理介质为载体,通过电磁感应、共振、射频、激光发射、微波辐射等多种形式,利用空气这一介质,将电能以无线的方式传送出去的新技术。

3.2 无线充电技术的原理

无线充电技术应用了电磁感应等原理，利用一对线圈来实现无线充电(图5)。在发射端(充电器端)和接收端(手机端)各有一个线圈,当充电线圈接入交流电时会产生变化的磁场,受电线圈处于变化的磁场中会产生电磁感应现象,由于受电线圈中的磁通量发生变化,产生了感应电动势,进而产生感应电流,经过整流后的电流就可以为智能手机充电。