多功能演示的自制手搖發電機

張晴 馮杰 邱松長

摘 要： 根據教具“一物多用”的多功能演示思想，在手搖發電機教具基礎上進行一定創新，自制由磁鐵線圈式和馬達式發電機構成的手搖發電機實驗裝置，并對其在物理教學中的多種功能進行一定說明，自制教具可在中學物理教學中推廣使用。

關鍵詞： 課堂教學 創新 多功能 自制手搖發電機

實驗教學是中學物理教學的基礎，新課標下的物理教學實踐表明中學物理課堂教學的教具演示可以激發學生的物理學習興趣，活躍物理課堂氛圍，對物理新課教學起到一定的完善作用[1]。教具多功能演示是物理教學研究的重點內容，可以演示物理學知識、突破教學難點[2]。同時，自制教具的多功能演示無疑使教師和學生的創造能力得以激發，創新意識得以增強[3]。并且自制教具實現多功能演示，更在某種程度上滲透了中華傳統美德“勤儉節約”的思想[4]。本文對手搖發電機教具進行一定拓展，自制手搖發電機實驗裝置，實現自制教具“一物多用”的創新。

1.現狀與問題

調查表明，目前市面上大小不一的手搖發電機DIY教具數量很多，通過手搖使其小燈泡發光，以此照明和進行課堂實驗演示，學生可以直觀感受到機械能轉換成電能的神奇，從而激發學生學習電與磁的興趣。

這些教具是否可以在手搖發電機的基礎上稍稍做一些變動，實現其他多功能演示呢？若手搖發電機教具承載著多種演示功能，而學生又能在教具演示過程中同時學到物理學知識，那么自制教具就能發揮更大功用。因此手搖發電機的多功能演示研究是物理教學中一個有意義且有價值的課題。

2.自制手搖發電機

2.1裝置簡介

本自制裝置主要由兩個發電機構成，分別為磁鐵線圈式手搖發電機和馬達式手搖發電機。磁鐵線圈式手搖發電機的發電主要部件是線圈、磁鐵、金屬桿、轉盤等，而馬達式手搖發電機的發電主要部件是馬達、齒輪、電鉆等，這兩個手搖發電機均能實現發電演示功能。

2.2自制手搖發電機的六大演示功能

（1）演示發電原理，體會電磁樂趣。

人教版高中物理3-2第四章第二節《探究電磁感應的產生條件》中，實驗表明：只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流。教師講授新課前給學生演示手搖發電機。如圖1所示，搖動馬達式手搖發電機的手柄，其負載小燈泡就會發光，以此讓學生對該節課學習有一定期待，進一步讓學生通過觀察手搖發電機的演示體會電與磁之間的樂趣[5]。

圖1 馬達式手搖發電機的發電演示

（2）鑒別導體和絕緣體[6]。

中學物理電學知識的學習中，導體和絕緣體是學習了簡單電路基礎上的又一重要知識點，物理教學中常常需要將物理概念或規律與生活生產實際相聯系，以此提高學生理論聯系實際的能力，因此教學中講解完導體和絕緣體的概念之后，學生可自行通過實驗鑒別生活中的常見物體，如橡皮、鉛筆芯、鐵勺、硬幣、皮筋、書本、塑料、金屬桿等是導體還是絕緣體，如此學生可以加深對導體和絕緣體的印象。

將導體和絕緣體鑒別實驗與自制手搖發電機裝置相聯系，則可將手搖發電機作為電源使用，在實驗中起到電源供電作用。實驗中將自制手搖發電機、待檢測物體和小燈泡用導線串聯連接，通過觀察小燈泡的發光狀態鑒別導體和絕緣體，從而實現發電、鑒別導體和絕緣體功能的一體化，大大活躍物理教學課堂氣氛。

（3）說明二極管的單向導通性。

自制手搖發電機的另一功能是說明二極管的單向導通性，利用電路中連接二極管實現順、逆時針轉動手柄小燈泡發光狀態不同，從而在課堂教學中起到激發學生物理學習興趣的作用，以此加深和鞏固對二極管單向導通性的認識。

具體教學過程設計如下所示：

教師講解完課堂新知后給學生演示發電過程，小燈泡發光；接著教師悄悄逆時針轉動手柄，手搖發電機裝置中的小燈泡不發光。此時教師拋出疑問，是不是手搖發電機壞了？教師再次順時針轉動手搖發電機的手柄，小燈泡再次發光，學生腦海中產生疑問，為什么剛才小燈泡沒有發光；緊接著教師提示學生從手搖發電機自身電路元件尋找答案，學生通過觀察電路后發現外接電路中有一個二極管，從而對兩次發電演示截然不同的實驗結果恍然大悟。此教學環節通過這種提出問題到學生自主探究解決問題的形式，用課堂活動落實物理知識，增加物理課堂學習樂趣，同時對新課所學二極管單向導通性的知識起到更好的鞏固作用。

（4）判斷電流的方向。

自制手搖發電機還可以用來說明電流方向，該功能是由二極管單向導通性演示實驗啟發得到的，由于二極管具有單向導通性，因此我們可判斷電流方向，同時根據電流方向判斷手搖發電機兩個接線柱兩端電勢的高低。

（5）類比馬達內部的結構。

圖2 磁鐵線圈式手搖發電機

磁鐵線圈式手搖發電機和馬達式手搖發電機都可以用來演示上述四大功能，既然如此，那么自制手搖發電機裝置為何有兩個發電機，是否可以二者取其一？答案是否定的。本裝置的與眾不同之處恰恰就是兩個手搖發電機的設計。如圖1所示是馬達式手搖發電機，該手搖發電機的重要部件是馬達，而如圖2所示的手搖發電機為磁鐵線圈式手搖發電機，主要部件為線圈和磁鐵及定軸等[7]，根據兩個手搖發電機相同的作用效果可將兩手搖發電機裝置中的重要部件進行類比，從而讓學生清楚認識馬達內部的結構。

（6）聯想串并聯電流、電壓關系的應用。

本自制手搖發電機裝置中的磁鐵線圈式發電機還有另一個功能，即串并聯電流、電壓之間關系的應用。如圖3所示，實驗發現，手搖發電機演示發電時其負載兩LED燈管發光的亮暗程度并不相同，該實驗現象可啟發學生思考。經學生自主探究可發現電路中發光較暗的LED燈管與二極管串聯后，再與發光較亮的LED燈管并聯在發電機兩端。若記發光較暗的LED燈管兩端、二極管兩端、發光較亮的LED燈管兩端的電壓分別為U■、U■和U，則這三者之間的電壓存在以下關系：

U=U■+U■

因此兩LED燈管發光的亮暗程度是不一樣的，本自制發電機結合串并聯電流、電壓關系知識的應用，在一定程度上起到對串并聯電流電壓關系知識的鞏固和提升作用。

3.結語

本自制手搖發電機裝置的多功能應用不僅可以充實課堂學習，而且可以對新課知識的理解和掌握起到一定的促進作用，在一定程度上大大提高電學內容的教學效率和學生理論聯系實際的應用能力，使學生掌握得又好又快，同時培養學生的自主創新意識，對教師自身專業素養也有一定提升。本自制手搖發電機裝置的多功能演示可供物理教師拓展，使其具有更多課堂演示功能；同時，該自制手搖發電機裝置存在一定不足，若對其外表做一定改進，使其外表更美觀，則課堂教學效果將更理想；并且自制教具的多功能演示思想，可在中學物理教學中推廣。

參考文獻：

[1]張偉.論物理自制教具對落實新課程標準的教學價值[J].內蒙古師范大學學報，2003，32（4）：350-353.

[2]冉洪喜.淺如何發揮初中物理教具的作用[J].魅力中國，2014（2）：130-131.

[3]肖純友.淺析小教具在物理課堂上的大作用[J].中學生導報，2014（1）：121.

[4]張道清，劉曉瑩.新課標下初中物理自制教具的探討[J].物理教學探討，2009，27（4）：31-33.

[5]朱成.手搖發電機[J].教學儀器與實驗，2010，26（7）：47.

[6]田維勝.自制手搖發電機[J].小學教學設計，2006（12）：40.

[7]蔡曉東.自制手搖發電機[J].實驗與制作，2003，51.

該教具在全國第七屆“優利德杯”大學生與研究生自制教具與設計實驗展評中榮獲一等獎