從“局部短路的巧妙應(yīng)用”談學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

蔡曙峰

(江蘇省石莊高級中學(xué),江蘇如皋 226531)

課堂教學(xué)是實施素質(zhì)教育的主渠道,在日常教學(xué)過程中,教給學(xué)生的不僅僅是知識,更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力,這才是我們教學(xué)的出發(fā)點和歸屬.在物理教學(xué)過程中如何實施這一教學(xué)目標(biāo),下面就一節(jié)電學(xué)復(fù)習(xí)課“局部短路的巧妙應(yīng)用”談?wù)勅绾卫靡粋€知識點來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

課堂實錄1

師:我們知道,由于短路時電流很大具有危害性,所以在電路中應(yīng)避免短路現(xiàn)象的發(fā)生.短路由于電流過大,所以都盡量避免,但能不能利用這一特點為我所用呢?

生:疑惑中熱烈討論.

圖1

師:好,請大家看這樣的電路圖(見圖1),這是局部短路的電路,請分析該電路具有的特點?

生甲:如圖 1所示,當(dāng)S、S1閉合時電流通過與電阻并聯(lián)的導(dǎo)線直接流入電燈,而不經(jīng)過電阻 R.其特點是與導(dǎo)線并聯(lián)的那部分用電器沒有電流通過,用電器不能工作.

生乙:根據(jù)該電路的特點,被短路的部分電路(圖中電阻R)的工作狀態(tài)可以通過控制S1來控制.所以可以作控制電路使用.

師:(趁熱打鐵,進一步設(shè)疑)為什么不用開關(guān)直接控制電路,而用局部短路來控制電路,在實際生活中有什么實際意義?在什么情況下使用該電路來控制?學(xué)生討論后回答.

生:正常情況下電路接通時用電器正常工作,而斷開時停止工作.但此電路正好相反,當(dāng)跟用電器并聯(lián)的導(dǎo)線斷開時用電器中有電流通過,正常工作;該導(dǎo)線接通時用電器被短路,無法正常工作.所以可以用作斷路的監(jiān)控.

圖2

例 1.電路設(shè)計.某牧場管理員想設(shè)計一個能自動放養(yǎng)牛羊的裝置.用細(xì)導(dǎo)線將牛羊群圍住,當(dāng)牛羊在圈內(nèi)吃草時,小屋內(nèi)指示燈亮;當(dāng)有的牛羊跑出圈外時就會碰斷細(xì)導(dǎo)線,這時電鈴發(fā)出響聲且指示燈仍亮,現(xiàn)有電源、電鈴、電燈、開關(guān)各1只,導(dǎo)線若干,請你設(shè)計符合此要求的電路.

解答:如圖2所示.

點評:正常情況下電路中只有指示燈亮,而電鈴不響,即電鈴處于無電流狀態(tài),當(dāng)羊跑出圈外就會碰斷細(xì)導(dǎo)線,這時電鈴發(fā)出響聲且指示燈仍亮,說明當(dāng)導(dǎo)線短路時電鈴所在的電路通路,由此我們很容易聯(lián)想到部分電路短路,只要將電鈴和指示燈串聯(lián),同時用一根較長的導(dǎo)線將電鈴短路,且用這根導(dǎo)線圍住羊群.這樣當(dāng)羊群在導(dǎo)線圍成的圈內(nèi),電鈴被短路不響,但指示燈是亮的,如有羊跑出圈外時就會碰斷細(xì)導(dǎo)線,這時電鈴發(fā)出響聲且指示燈亮,發(fā)出警報,從而起到監(jiān)控羊群的作用.

例2.小轎車的儀表盤上,有一個顯示汽車車門關(guān)閉狀況的指示燈.只要4個車門中有一個沒關(guān)閉(此時裝在車門上的電路開關(guān)處于斷開),指示燈就發(fā)光提醒.下面圖3中4個電路中,能體現(xiàn)該裝置工作原理的是

圖3

點評:由題意可以看出,每個門對應(yīng)一個開關(guān),只要有一個汽車門沒有關(guān)閉(即對應(yīng)的開關(guān)沒閉合),則電燈就是亮的,只有將車門全部關(guān)閉(即所有的開關(guān)全閉合)電燈才熄滅.因此只有將電燈與開關(guān)并聯(lián),這樣當(dāng)開關(guān)閉合時電燈因短路而熄滅,但汽車有4個門,即4個開關(guān),那么如何才能使4個開關(guān)全閉合時電燈才短路?如果4個開關(guān)并聯(lián)如圖3(B)所示,只要閉合任意一個開關(guān)電燈就會因短路而熄滅,顯然是不行的,因此只有將4個開關(guān)串聯(lián)后再與電燈并聯(lián)如圖3(D),這樣只有 4個開關(guān)全閉合,電燈才被短路,從而起到對車門是否全關(guān)的監(jiān)測作用.

此題要求是一個指示燈監(jiān)控所有的門,如果指示燈亮只能說明有門沒關(guān),但不知道是哪個門,這是這個電路的缺陷,那么我們?nèi)绾胃倪M?每個門都有一個指示燈控制,哪個指示燈亮就對應(yīng)哪個門沒關(guān).例3就很好地解決了這個問題.

例3.(2009年杭州中考第19題)小施學(xué)校的教學(xué)樓有東、南、西、北4扇大門,放學(xué)后要求都要將門關(guān)上.平時傳達室的蔣師傅住在南門,每天都要跑3個地方檢查門是否關(guān)上,非常辛苦.小施學(xué)了電學(xué)后為減輕蔣師傅的工作量,設(shè)計了一電路圖,即3個門中只要有門沒關(guān)好(相當(dāng)于1個開關(guān)斷開),則代表該扇門的指示燈就會發(fā)光.下列電路圖中符合要求的是

圖4

此題中要解決通過對應(yīng)的指示燈來判斷門的開與關(guān),只要將每個門與對應(yīng)的指示燈分別并聯(lián),如選項(A)所示即可.

課堂實錄2

師:以上我們僅對被短路的那部分電路的特點進行了分析,通過分析得出的局部短路特點并對其應(yīng)用進行了有效地嘗試,那么就整個電路而言,發(fā)生局部短路的前后電路又有什么變化嗎?請同學(xué)們討論.

學(xué)生甲:由于局部短路前后電路中的總電阻發(fā)生了變化,電源電壓不變的情況下電路的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化.

學(xué)生乙:在發(fā)生局部短路前后,與之串聯(lián)的沒有短路的用電器兩端的電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化.

師:剛才兩位同學(xué)分析得很好,電路中的電流和另一用電器的電壓都發(fā)生了變化,那么就整個電路而言又有什么物理量發(fā)生了變化呢?

生:電功率!(很多同學(xué)同時叫了出來)

師:那么很顯然局部短路還可以有什么應(yīng)用呢?

生:改變電路的電功率.

在這段師生互動中,通過教師的設(shè)疑,把學(xué)生從局部短路的控制作用的定向思維成功地轉(zhuǎn)向了局部短路應(yīng)用的另一個重要的發(fā)現(xiàn).這一過程恰到好處地培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維能力和創(chuàng)新能力.

例4.表1為1臺電烤箱的銘牌,其內(nèi)部簡化電路如圖5所示,R1和R2均為電熱絲.

求:(1)電烤箱在高溫?fù)跽９ぷ?0 min所消耗的電能;

(2)電路中 R1的阻值;

(3)電烤箱在低溫?fù)跽９ぷ鲿r,電路中的電流和R1的功率.

圖5

表1

答案:(1)W=P高t=1 100 W×600s=6.6×105J.

點評:根據(jù)局部電路短路的特點,當(dāng)電路某部分短路時,被短路的部分未連入電路,電路的總電阻減小,在電源電壓不變的條件下,電流增大,根據(jù)功率P=UI可知電路的功率將會變大.因此我們可以根據(jù)這一特點實現(xiàn)功率大小的控制.本題是一個典型的應(yīng)用部分電路短路來控制電路功率的試題,解此題時,首先先理解電路控制的原理,由電路圖可以看出,當(dāng) S1閉合 S2斷開時,R1、R2串聯(lián),電路的總電阻最大,電流就最小,根據(jù)電功率P=UI可知此時電路的功率最小;當(dāng)S1、S2都閉合時電阻 R2短路,電路的總電阻等于R1的電阻,即總電阻減小,電路的電流增大,根據(jù)電功率P=UI可知電路電功率最大.