巧用自制演示實驗 促進學生深度學習
——談自制教具在電容、電感教學中的應用

祁紅菊

(江蘇省奔牛高級中學 江蘇 常州 213131)

人教版《物理·選修3-2》第五章第3節“電感和電容對交變電流的影響”中，電感和電容對交變電流的阻礙作用非常抽象，學生普遍反映難以理解.筆者搜集、購買多種型號的實驗器材，自制教具，多次調整，并在課堂教學中加以應用.發現不僅可以有效地突破重難點，使學生更易理解物理概念和規律，還可以很好地激發學生學習物理的興趣，啟迪思維，增強學生的探究欲望，教學效果非常好.

1 實驗設計

實驗一：有趣的濾波實驗

器材：筆記本電腦一臺，“公對公”音頻線3.5 mm一根，教師用小蜜蜂擴音器一只.

制作：將音頻線最外層的塑料皮切開，露出紅、綠、黑3根線，將其中的一根紅線剪斷，剝離導線末端的護層,露出金屬銅線,如圖1所示.

圖1 制作導線

演示：

步驟一，用音頻線將筆記本電腦與擴音器連接起來；

步驟二，筆記本播放事先挑選的雜音很多的音樂，將紅色導線接通，此時擴音器中播放出的音樂雜音很重，歌詞模糊不清；

步驟三，在斷開的金屬銅線間連一0.003 9 μF的電容器，此時擴音器中播放的音樂已基本沒有雜音，歌詞清晰可辯.

說明：此實驗用于新課引入，學生興趣盎然.

實驗二:電感對交變電流的阻礙作用

器材： 木工板一塊，小燈泡(3.8 V，0.3 A)一只，直徑為0.2 mm的漆包線若干，直徑為16 mm，長為80 mm的PVC塑料管兩只，電磁感應演示實驗的原線圈(24009)的鐵芯兩個，J2462-1信號發生器(圖2)一只，學生電源一只，單刀單擲開關和單刀雙擲開關各一只，紅、黑接線柱各一個，導線若干.

圖2 J2462-1型信號發生器

制作：木工板加工成30 cm×40 cm，將漆包線繞在PVC管上，制成匝數分別為1 050匝的電感L1和1 350匝的電感L2(圖3)，鐵芯插入管中，上述元件按如圖4所示安裝.

圖3 電感

圖4 安裝電路圖1

演示：

(1)電感對交變電流的阻礙作用

步驟一，AB間接學生電源直流擋，電壓為6 V，電感接L1，閉合開關后，燈泡亮；

步驟二，AB間接學生電源交流擋，電壓為6 V，電感仍然接L1，閉合開關后，燈泡亮度明顯減弱.

結論：電感通直流阻交流.

(2)感抗與自感系數的關系

步驟一，AB間接學生電源交流擋，電壓為6 V，電感接L1，閉合開關后，燈泡較亮；換電感L2，閉合開關后，燈泡變暗.

步驟二，AB間仍接上述電源，電感接L1，閉合開關后，燈泡亮．將L1管中鐵芯拔除，燈泡明顯變亮.

結論：自感系數越大，感抗越大.

(3)感抗與交變電流頻率的關系

AB間接低頻信號發生器的正弦波功率輸出，倍率×1，以提供頻率變化的交變電流，電路中選用L1，將頻率調到最低，調節信號發生器的幅度，使燈較亮．慢慢轉動低頻信號發生器的頻率旋鈕，使頻率增大，可以看到燈泡亮度明顯減弱.

結論：交變電流的頻率越高，感抗越大.

實驗三：電容對交變電流的阻礙作用

器材： 木工板一塊，小燈泡(3.8 V，0.3 A)一只，電容C1(25 V，220 μF)，電容C2(25 V，3 300 μF)，J2462-1信號發生器一只，學生電源一只，單刀單擲開關和單刀雙擲開關各一只，紅、黑接線柱各一只，導線若干.

制作：木工板加工成30 cm×40 cm，將上述元件按圖5所示安裝.

圖5 安裝電路圖2

演示：

(1)電容器隔直流

AB間接學生電源直流擋，電容接C1，閉合開關后，燈泡不亮.

結論：穩恒直流電不能夠通過電容器.

(2)電容器通交流并對交流有阻礙作用

AB間接學生電源交流擋，電壓為4 V，電容接C1，閉合開關后，燈泡亮．用導線將電容器短路，燈泡變得更亮.

結論：交變電流能夠通過電容器，電容器對交變電流有阻礙作用.

(3)容抗與電容大小的關系

接學生電源交流擋，電壓為4 V，電容接C1，閉合開關后，燈泡亮，換用C2，可以看到燈泡明顯變亮.

結論：電容越大，容抗越小.

(4)容抗與交變電流頻率的關系

AB間接低頻信號發生器的正弦波功率輸出，倍率×1，以提供頻率變化的交變電流，電路中選用C1，將頻率調到最高，調節信號發生器的幅度，使燈較亮.慢慢轉動低頻信號發生器的頻率旋鈕，使頻率減小，可以看到燈泡亮度明顯變小.

結論：交變電流的頻率越高，容抗越小.

實驗四：電容器“通電”原理的演示

器材： 木工板一塊，小燈泡(3.8 V，0.3 A)一只，電容C(16 V，4 700 μF)，直流電源6 V，單刀雙擲開關一只，紅、黑接線柱各一只，導線若干.

方法：木工板加工成30 cm×40 cm，將上述元件按圖6所示安裝.

圖6 安裝電路圖3

演示：開關打到1的瞬間，燈泡亮一下；開關打到2的瞬間，燈泡又亮一下，快速地反復地將開關在1，2間切換，可看到燈泡持續閃亮.

結論：電容器“通電”的實質就是電容器不斷地充、放電.

2 實驗分析

“實驗一”中教師可以向學生說明，此處的電容起了濾除雜音的作用.教師還可以向學生演示，若換接一只大電容，就會發現濾除雜音的效果不佳.不需教師發問，此時學生的腦海中就必然存在若干個為什么.此實驗操作簡單，效果明顯，極大地刺激了學生的感官，調動了學生的積極性，激發了他們學習的興趣和求知欲.興趣是學生學習自覺性和積極性的核心因素，是學習的強化劑.只有當一名學生對所學的課程發生了興趣時，才會積極主動地進行學習，才會愿意更深層次地思考，從淺層的學習進入更深層次的學習.

“實驗二”和“實驗三”既可以作為演示實驗，也可以作為學生的探究實驗，以學生為主體，讓學生通過體驗、觀察、討論、猜想、探究等方式理解決定感抗和容抗大小的因素，使學生經歷一個完整的知識構建的過程.整個過程中，物理概念和規律在學生的頭腦中會很自然地建立，教師無需用更多的語言來解釋.這樣的實驗不僅能激發學生學習物理的主觀能動性，拓寬他們的視野，豐富他們的想象，讓他們真切地感受到物理的神秘，而且能有效地提高學生的觀察能力、分析問題和解決問題的能力.

“實驗四”電路設計很簡單，卻將電容器充、放電這一抽象內容可視化地展現出來，使學生通過直觀形象獲得感知，推進了探究活動，幫助學生順利完成知識的自主建構.有條件的學校也可以用電流傳感器記錄這一過程，通過i-t圖像直觀地觀察到電容器充放電時電流隨時間的變化情況.

物理學是一門實驗科學，實驗教學應擯棄功利化，切忌紙上談兵，教師要意識到實驗在培養學生興趣和可持續發展能力等方面的重大作用.本節課所設計的實驗簡明、直觀、效果明顯，且易于取材制作.上課的過程中學生主動參與、思考積極、氣氛活躍，在教師的引導下，通過對實驗現象的對比、分析、歸納和總結，讓學生深切地感受到了學習的樂趣，收獲的快樂和成功的愉悅.

參 考 文 獻

1 王少東.“電感和電容對交變電流的影響”演示實驗的創新.實驗教學與儀器，2016(3)：13～14

2 冀林，周穎潔.巧設實驗，提升思維，促進運用——淺析“電感和電容對交變電流的影響”實驗設計.物理教師，2014(8)：50～51