自制正弦式交变电流有效值演示仪

摘 要：本文将一款自制正弦式交变电流有效值演示仪引入课堂，其能够让学生直观地看到正弦式交变电流的有效值大小，理解I＝I_m2成立的原因及适用条件。该装置结构简单、操作容易、效果明显，有利于培养学生判断推理、质疑创新的科学思维，锻炼其实验探究的能力，具有创新性和实用性。

关键词：正弦式交变电流；等效法；微元法；实验教学

1 引言

人教版物理选择性必修第二册第三章中给出了交变电流有效值的定义：让交变电流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交变电流的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流的电流与电压分别为I、U，我们就把I、U叫作这一交变电流的有效值。根据这一定义，学生能够通过计算得到图1中交变电流的有效值，但对于如图2所示的正弦式交变电流，学生并不能求出电流流经电阻产生的具体热量，教材对其有效值的推导用“理论计算表明”一句话带过，直接给出了结论及其适用条件。学生不清楚推导过程，导致对这一结论成立的必然性和适用范围存有质疑，不利于自身科学思维能力的养成，也使得学生后续对这一结论的理解和应用变得更加困难。

《普通高中物理课程标准（2017年版 2020年修订）》指出，要能对已有观点提出质疑，从不同角度思考物理问题；能采用不同方式分析解决物理问题。［1］基于此，已有学者从实验的角度来尝试解决这一问题。但在测产热量的过程中，所用器材繁多，物理量不好控制。笔者从实践与思维、动手与动脑相互联系的观点出发，［2］制作了一款不需要测产热量但能直观演示电流有效值的实验装置，该装置在教学中取得了很好的效果。

2 实验原理

3 实验器材与实验过程

3.1 实验器材及制作方法

以正弦式交变电流i＝4sinωt为例，用激光切割出i2＝16sin2ωt图像形状的亚克力窄条。将窄条置于前后两块亚克力面板间，密接粘牢，做成i2-t图像形状的水槽。用两块亚克力板作为侧板，在左侧板的中部开一个注水孔（见图5）。

上、下加两块底板固定后，将函数图像及刻度印在透明亚克力板的前表面，体现图像变换过程。制成后的正弦式交变电流有效值演示仪如图6所示。用橡胶塞封住注水孔后，i2-t图像形状的注水槽上方形成封闭的中空区域。右图为局部放大后的图片。

3.2 实验过程

第一步，用注射器通过注水孔向i2＝16sin2ωt图像形状的槽内注水，至液面与其上方横轴齐平。为方便观察，可在清水中滴入适量红墨水。

第二步，塞上橡胶塞，待液面稳定后将装置在竖直面内翻转180°，水会自动流入面板中空区域的另一侧，形成矩形水域。翻转前后的水域形状变化如图7所示。

利用该演示仪进行正弦式交变电流有效值的实验教学主要环节可用图8来表示。

4 教具优点

电流的产热量，而是用i2-t图像与横轴围成的面积表示产热量，体现了“微元法”的物理思想；两部分的面积相等，这是物理过程的等效。在解决物理问题时，我们常需运用多种方法，这些方法虽路径各异，但所得结果及其物理意义却是相同的，这些方法和手段在本质上是等效的，这种思维方式我们称之为等效研究方法。［3］本器材的创新之处在于，它在前后面板间设计了中空区域，巧妙地利用了水的流动性，将抽象的图形面积相等转化为了直观的“水域面积相等”，从而使该实验具有可操作性，这正是等效研究方法在实践中的生动应用。

5 结语

从发现问题到分析问题，最终到解决问题，教师引导学生紧扣概念，深度思考，从多个角度分析问题，层层递进，深刻地体现了教师对学生物理思维的培养。基于在教学过程中遇到的真实问题，本文提出了这样具有创新性的实验方案。经过充分论证后，我们选取了合适的材料来制作仪器，并引导学生仔细观察和分析实验现象，最终使学生得出实验结论。这一过程让学生完整地经历了科学探究的各个环节。在利用该器材进行实验教学的过程中，我们不仅帮助学生实现了知识水平的显著提升，还让学生深刻体会到了科学的研究方法，这有助于他们养成良好的科学思维习惯，并显著增强他们的创新意识和实践能力。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：79.

［2］郭玉英，苏明义.新版课程标准解析与教学指导：高中物理［M］.北京：北京师范大学出版社，2023：294.

［3］史献计，徐锐.用等效法解决物理问题的策略［J］.教学月刊（中学版）， 2009（8）： 20-22.