滲透技術教育的高中物理教學探討①——以“互感”教學為例

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

1 引言

技術是科學、工程和數學的應用，主要解決“如何做”的問題。筆者在“互感”的教學中滲透技術教育，創設情景,引入新課,運用創新實驗進行教學,順利完成了“互感”的實驗探究,著重體現物理學的應用性與實踐性。以“無線充電技術”為例,從無線充電技術的產生背景、定義、原理、應用等方面進行簡要闡述,促進學生對電磁感應定律的深刻理解。物理學科核心素養的“科學態度與責任”中包含了技術的要素,在本節課的教學中,學生在教師的引導下完成從科學探究到技術應用的有效銜接,通過“知識—構建—設計—應用”的過程,提升高中生的物理學科核心素養。

2 “互感”的教學過程

2.1 電影導入，激發興趣

播放電影《致命魔術》的片斷,這部電影主要講述了在魔術盛行的維多利亞時期著名科學家特斯拉的故事。電影中的魔術師手里拿了一個大燈泡,在沒有用電線的情況下,大燈泡被點亮了,使現場的觀眾驚呼:“魔法，真正的魔法!”

教師提問:在剛才的影片片斷中,我們觀察到燈泡亮了。請同學們思考:燈泡為什么會被點亮?接下來老師將用物理知識為大家進行講解。

設計意圖:中學生的好奇心很強,喜歡新鮮的東西,引入此電影片斷,播放與互感有關的“魔術”現象,以此激發學生的學習興趣。

2.2 實驗演示,引發思考

師:老師在第一次看到這部電影時和大家的感受一樣,頗為驚訝,不過在經過短暫的思考和分析后,便知其所以然,接下來就讓我們一起探究吧!

教師演示:將一個燈泡與線圈連接,放在正在工作的電磁爐上,學生發現小燈泡亮起來了。

師:圖1是電磁爐的內部結構圖,當接通交流電源時,線圈中便有了電流。但連接燈泡的線圈并沒有和電磁爐中的線圈相連接,小燈泡為何會亮起來呢?

圖1

設計意圖:日常生活與物理學密不可分,用生活中的實例進行課堂教學,引導學生用所學知識分析實驗現象,逐步概括出互感的定義,并指出互感的本質就是電磁感應現象,體現了“從生活走向物理”的課程理念。

2.3 新課教學,講解知識

(1)引導學生總結出相關結論:沒有用導線連接的兩個線圈之間,當一個線圈中的電流變化時,它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢,我們把這種現象叫做互感,由互感現象產生的感應電動勢叫做互感電動勢,互感現象實質上是電磁感應現象。

(2)利用互感現象可以把能量從一個線圈傳遞到另一個線圈。如變壓器由鐵芯、原線圈(初級線圈)和副線圈(次級線圈)構成,應用了互感原理。在電力工程和電子線路中,互感有時會影響電路的正常工作,需設法減小互感的危害。

2.4 揭秘演示實驗,加深理解

電磁爐里有多匝密繞線圈,接通交流電源時，線圈中的電流發生變化，產生了變化的磁場，會在懸空放在電磁爐上方的線圈中產生感應電動勢,應用了互感原理(圖2)。

圖2

2.5 自制教具,深入探究

(1)教具制作材料

一根完整的耳機線,一根改裝的耳機線,一根改裝的音頻線,一臺音頻放大器,一部手機，兩個匝數不同的螺線管(圖3)。

圖3

(2)實驗原理

如圖4所示，左側部分是音頻產生與放大電路,右側部分為功率放大器,A為初級線圈,B為次級線圈。由互感原理可知:互感電動勢的大小正比于穿過線圈磁通量的變化率。手機播放音樂時,電信號經過音頻放大器放大,成為較強的交變電流信號,在線圈A中產生變化的磁場,通過互感在線圈B中感應出交變電流,從而使音箱發聲。

圖4

(3)創新之處

手機發出的音頻信號不經放大,聲音一般很小,難以達到預期的演示效果,設計過程中加入一個放大電路，不但提高了音質,還減小了失真現象。

3 技術應用

21世紀是通訊的時代,在科學技術飛速發展的今天,手機從剛開始的“大哥大”發展到今天集多種功能于一體的智能手機。智能手機為我們帶來便利的同時也伴隨著頻繁的充電，考慮到人們的現實生活需求,無線充電技術應運而生。

3.1 無線充電技術的定義

無線充電,即感應式充電、非接觸式充電、無線式充電,是不以金屬導線或物理介質為載體,通過電磁感應、共振、射頻、激光發射、微波輻射等多種形式,利用空氣這一介質,將電能以無線的方式傳送出去的新技術。

3.2 無線充電技術的原理

無線充電技術應用了電磁感應等原理，利用一對線圈來實現無線充電(圖5)。在發射端(充電器端)和接收端(手機端)各有一個線圈,當充電線圈接入交流電時會產生變化的磁場,受電線圈處于變化的磁場中會產生電磁感應現象,由于受電線圈中的磁通量發生變化,產生了感應電動勢,進而產生感應電流,經過整流后的電流就可以為智能手機充電。

圖5

3.3 無線充電技術的應用

無線充電技術在手機、手表、藍牙耳機、電動牙刷等電子產品中得到了廣泛應用，電動汽車可利用無線充電技術,采用電磁感應式和磁場共振式對電動汽車的電池進行充電,汽車的底部在距離地面大約15cm的距離,在停車場的地面下方安裝供電線圈,在車底部安裝受電線圈,就可以進行充電。

4 結語

通過實驗演示和無線充電技術的介紹,在物理教學中滲透技術教育，讓學生體驗實驗探究的過程，培養學生的創新精神,增強其實踐操作能力,提高他們的物理學科核心素養。