“交變電流”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

劉煥奇

(江蘇省太倉(cāng)高級(jí)中學(xué),江蘇 太倉(cāng) 215411)

交變電流是生產(chǎn)生活常見(jiàn)到的電流,交變電流是電磁感應(yīng)知識(shí)的應(yīng)用和提高,交變電流一節(jié)內(nèi)容是“交流電”一章理論知識(shí)的基礎(chǔ),與之相對(duì)應(yīng)的交流發(fā)電機(jī)演示實(shí)驗(yàn)是掌握學(xué)習(xí)交變電流的基石．按照新課改理念,“交變電流”一節(jié)最好采用探究式教學(xué)的方式來(lái)完成,即要學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考和小組合作,自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并按設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行探究,深入體驗(yàn)交變電流生成的真實(shí)過(guò)程．鑒于此筆者對(duì)“交流發(fā)電機(jī)演示實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了如下的改進(jìn)和創(chuàng)新．

1 教材原有經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的局限

1.1 交變電流波形的缺陷

圖1

人教版經(jīng)典的手搖交流發(fā)電機(jī)模型如圖1所示,搖動(dòng)手柄,發(fā)電機(jī)即可發(fā)電,白熾燈泡發(fā)光變亮．然后通過(guò)連接示波器測(cè)出其電流-時(shí)間變化的波形,發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)電流隨時(shí)間做周期性變化,但是我們還不難發(fā)現(xiàn)該示波器的波形與理想的“正弦交流電”有一定的差距,其邊沿為相對(duì)圓滑的不太規(guī)則的鋸齒波,具體如圖2所示．究其原因:主要是蹄形磁鐵間的磁場(chǎng)不是真正的勻強(qiáng)磁場(chǎng)造成的．

圖2

1.2 課堂上使用時(shí)缺憾

按照新課改理念,采用探究式教學(xué)來(lái)操作本實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)本裝置在課堂教學(xué)中還存在以下幾點(diǎn)不方便之處:其一線圈面積小,匝數(shù)多,又被磁鐵框架遮擋,學(xué)生看不清楚內(nèi)部結(jié)構(gòu),無(wú)法形成強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊,從而造成對(duì)交變電流的形成原理的深入理解存在著一定的困難,學(xué)生仍然感覺(jué)比較抽象;其二傳送皮帶的帶動(dòng)作用使線圈轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手柄搖動(dòng)轉(zhuǎn)速,線圈轉(zhuǎn)速太快,頻率過(guò)大,學(xué)生不能同步跟蹤交變電流的形成過(guò)程; 其三是交流發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)固定成型,不便拆卸安裝,不利于應(yīng)用“探究式教學(xué)”進(jìn)行自主設(shè)計(jì),分層組建和科學(xué)探究．

2 自制的交流電發(fā)電機(jī)演示儀

2.1 自制交流發(fā)電機(jī)的原理

讓閉合大線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),線圈的轉(zhuǎn)軸垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向,勻強(qiáng)磁場(chǎng)用微元思想借用地磁場(chǎng),電流表用微電流傳感器通過(guò)DIS系統(tǒng)反應(yīng)在屏幕上．

2.2 自制交流發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

圖3

線圈采用直徑為4mm的銅導(dǎo)線制作長(zhǎng)40cm、寬60cm、匝數(shù)為4匝的矩形線框,4個(gè)角分別用書(shū)帖標(biāo)明ABCD,中間用一根光滑的圓柱形長(zhǎng)桿作為轉(zhuǎn)軸,將它們架在兩鐵架臺(tái)的中間,用一有箭頭的導(dǎo)線表示勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向．線框通過(guò)微電流傳感器連接在DIS系統(tǒng)中．用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸,即可產(chǎn)生交變流電．實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖3所示．自制交流發(fā)電機(jī)原理圖如4所示.

圖4

2.3 本實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新之處

(1) 由于線圈的變大,形成強(qiáng)烈的視覺(jué)和空間沖擊,在大腦中形成深刻印象,學(xué)生置身其中,身臨其境,通過(guò)實(shí)際操作,感知到中性面的具體位置,觸摸到導(dǎo)線切割磁感線與平行磁感線的情形．

(2) 做大做粗了線圈,用大面積換取小的角速度,再用DIS微電流傳感器同步動(dòng)態(tài)輸出真實(shí)電流,直觀形象地呈現(xiàn)出隨著線圈角速度的增加,交流電瞬時(shí)值同步變大的過(guò)程,直接讀懂交變電流的周期和頻率的實(shí)際意義．

(3) 充分利用時(shí)空,合理利用地磁場(chǎng),主動(dòng)運(yùn)用“微元思想”生成勻強(qiáng)磁場(chǎng),實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單明了,實(shí)驗(yàn)效果明顯,波形非常貼近理想正弦交流電．

(4) 儀器取材方便,貼近學(xué)生生活實(shí)際,學(xué)生很容易想到,安裝靈活方便,也很容易做到(共4匝線圈)．有很好的親和力,方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理的自主設(shè)計(jì),符合探究式教學(xué)的具體要求．

3 使用自制交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行科學(xué)探究的步驟方法

3.1 運(yùn)用電磁感應(yīng)知識(shí),創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理

教學(xué)片段.

老師: 同學(xué)們我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了交變電流．現(xiàn)有自制大線圈,老師借給你講臺(tái)空間,還有一微電流傳感器,你能設(shè)計(jì)出電路發(fā)電嗎?請(qǐng)小組自主設(shè)計(jì)討論．

學(xué)生:借助地球磁場(chǎng):讓閉合線框在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),使通過(guò)線框的磁通量發(fā)生周期性改變．

老師:同學(xué)們做一猜想,閉合線框產(chǎn)生的電流是交流還是直流?請(qǐng)給出理由．

學(xué)生:隨著線框轉(zhuǎn)動(dòng),由于穿過(guò)閉合線框的磁通量不斷周期性的增加和減少,引起導(dǎo)線中電流的大小、方向都在周期性變化，故我們認(rèn)為此電流是交變電流．

設(shè)計(jì)思想： 源自生活,返璞歸真,以簡(jiǎn)致勝,借地球磁場(chǎng)構(gòu)建綠色情景,通過(guò)微電流傳感器,讓學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)真實(shí)的發(fā)電實(shí)驗(yàn)．

3.2 小組配合安裝實(shí)驗(yàn)儀器,操作生成交變電流

教學(xué)片段.

老師:現(xiàn)在請(qǐng)兩名學(xué)生到前面安裝實(shí)驗(yàn)器材和電路并操作,我們拭目以待．

學(xué)生:安裝圖4產(chǎn)生交變電流的裝置并連接電流傳感器形成閉合回路,通過(guò)配合操作得出微電流時(shí)間變化圖像,如圖5所示．

圖5

老師:由圖5我們可以讀出哪些現(xiàn)象,分析得出什么規(guī)律?(小組討論)

學(xué)生:第一點(diǎn),我們由電流變化的規(guī)律性讀出線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的重復(fù)性,線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周就是一個(gè)周期．而且周期越小,轉(zhuǎn)速越快,電流最大值越大．由于手轉(zhuǎn)動(dòng)線圈的非勻速造成了周期大小的變化和最大電流值的變化．

第二點(diǎn),電流在最大值附近有發(fā)生突變現(xiàn)象．這兩點(diǎn)與剛才我們看到的生活用的交變電流存在著差異．

老師:我們不妨做一分析,是什么原因造成我們發(fā)出的交變電流與生活中的交變電流存在差異?

學(xué)生甲:轉(zhuǎn)動(dòng)角速度發(fā)生變化．

學(xué)生乙:地磁場(chǎng)非勻強(qiáng)磁場(chǎng)．

老師:很好,假如我們做出這樣的改進(jìn),保持轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω不變,在剛才的空間區(qū)域加上勻強(qiáng)磁場(chǎng)B,用4匝邊長(zhǎng)分別為L(zhǎng)AB、LAD的矩形線圈在其中按照剛才的模式轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),會(huì)產(chǎn)生什么樣的交變電流呢?

設(shè)計(jì)思想： 學(xué)生自主操作、自主發(fā)現(xiàn),篩選出地磁和轉(zhuǎn)速兩大問(wèn)題,動(dòng)態(tài)生成構(gòu)建理想交流發(fā)電機(jī)模型．

3.3 由“一般到特殊”,由“三維到二維”進(jìn)行科學(xué)思維探究

教學(xué)片段.

老師:對(duì)于線圈在三維立體空間中轉(zhuǎn)動(dòng),我們?nèi)粢阉?huà)在白板上進(jìn)行電磁感應(yīng)研究,我們?cè)撟鲈鯓拥娜∩醽?lái)才能準(zhǔn)確地畫(huà)出電流方向、線圈運(yùn)動(dòng)方向,便于我們分析?

學(xué)生:畫(huà)出截面圖(降維處理).

老師:對(duì)于線圈的連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程,我們要分析線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律,該遵循什么樣的研究規(guī)律?

學(xué)生:遵循從一般到特殊的研究規(guī)律,即先選出幾個(gè)有代表性的特殊位置．

師生共同探究分析4個(gè)位置情況,得到相應(yīng)的電壓、電流等規(guī)律結(jié)論…

設(shè)計(jì)思想： 聚焦交流發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)典型狀態(tài),鼓勵(lì)學(xué)生的亮點(diǎn)思維,完成三維變二維的空間降維轉(zhuǎn)換,培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力和思維創(chuàng)新能力．

3.4 由實(shí)驗(yàn)到理論,完成科學(xué)探究全過(guò)程

教學(xué)片段.

老師:同學(xué)們,你們覺(jué)得研究交變電流的變化規(guī)律,僅僅研究這4個(gè)位置的變化情況,足夠說(shuō)明問(wèn)題嗎?若不夠,還該做怎樣的研究?

學(xué)生:我認(rèn)為不夠,我們應(yīng)該再選一個(gè)代表任意位置的一般性的點(diǎn)作為研究對(duì)象,研究出它的變化特征,才能代表普遍性規(guī)律,具有說(shuō)服力．

老師:很好,下面我們?nèi)芜x一個(gè)位置,同學(xué)們根據(jù)已知物理量來(lái)推導(dǎo)其電動(dòng)勢(shì)大小隨時(shí)間變化規(guī)律……．

最后,在推導(dǎo)出正弦交變電流的瞬時(shí)表達(dá)式之后,讓學(xué)生根據(jù)函數(shù)方程到白板上畫(huà)出交變電流的圖像．與實(shí)驗(yàn)得到的圖像相吻合．

設(shè)計(jì)思想： 科學(xué)疏導(dǎo),捕捉時(shí)機(jī),由定性到定量,從靜態(tài)到動(dòng)態(tài),誘發(fā)學(xué)生掌握由特殊情形過(guò)渡到一般函數(shù)方程的嚴(yán)密數(shù)學(xué)推理過(guò)程,全面感知交變電流．

以上是對(duì)交流發(fā)電機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的部分教學(xué)片段．從學(xué)生課后檢測(cè)數(shù)據(jù)獲知,該實(shí)驗(yàn)在教學(xué)各方面基本上都優(yōu)于經(jīng)典手搖發(fā)電機(jī)的課堂應(yīng)用,特別體現(xiàn)在以問(wèn)題為引領(lǐng)、探究為主線、以發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維為目標(biāo)的教學(xué)方面表現(xiàn)尤為突出,經(jīng)課堂上反復(fù)嘗試應(yīng)用,效果特別理想．