對(duì)家庭電路演示實(shí)驗(yàn)的研究和改進(jìn)

李 昂

對(duì)家庭電路演示實(shí)驗(yàn)的研究和改進(jìn)

李 昂

一、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新背景

家庭電路是北京師范大學(xué)版九年級(jí)物理教科書第十一章第五節(jié)內(nèi)容，主要是研究家庭電路的組成、連接以及各個(gè)組成部分的作用。這一節(jié)的內(nèi)容與學(xué)生的實(shí)際生活聯(lián)系緊密，與生活中的用電安全息息相關(guān)，學(xué)生除需了解家庭電路的連接原則之外，更應(yīng)理解其中的道理，以提高安全用電意識(shí)。

教科書中并未出現(xiàn)關(guān)于家庭電路的演示實(shí)驗(yàn)，只是給出了一幅家庭電路的連接圖(如圖1所示)。經(jīng)過查閱，家庭電路演示實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)器材是由電能表、開關(guān)、保險(xiǎn)、燈泡、插座等元件連接而成，并固定于演示板上(如圖2所示)，使用時(shí)，火線與零線之間加以220 V交流電壓進(jìn)行演示。

圖1 教科書的連接圖

圖2 傳統(tǒng)器材

但是，傳統(tǒng)器材也存在著一些不足，如：

(1)傳統(tǒng)器材使用220 V交流電壓，電壓較高，學(xué)生操作時(shí)存在安全隱患。

(2)電路中各元件均固定在演示板上，無法拆卸、交換位置，學(xué)生只能通過觀察了解正確的連接方式，但并不能理解這樣連接的原因，以及錯(cuò)誤連接方式帶來的問題或危險(xiǎn)。

(3)保險(xiǎn)絲是隱藏于保險(xiǎn)盒蓋內(nèi)部的，保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)，學(xué)生無法及時(shí)地觀察到這一現(xiàn)象。

針對(duì)以上問題，筆者對(duì)傳統(tǒng)器材進(jìn)行了一些改進(jìn)，改進(jìn)內(nèi)容如下：

(1)用變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V直流安全電壓，教師、學(xué)生都可安全操作。

(2)自制保險(xiǎn)盒模型，將保險(xiǎn)絲外露，便于學(xué)生進(jìn)行觀察，便于教師進(jìn)行操作。

(3)電能表、閘刀開關(guān)、自制保險(xiǎn)盒背面固定上螺絲，便于拆裝和交換位置。

(4)連接燈的火線和零線預(yù)留接口(如圖3所示)，便于將開關(guān)先后接在零線、火線上進(jìn)行演示；開關(guān)選用單刀開關(guān)，相對(duì)于生活中的拉繩開關(guān)，學(xué)生更容易觀察到開關(guān)的狀態(tài)。

圖3

二、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)與研制

1.家庭電路連接原則

(1)進(jìn)戶線是家庭電路的電源，進(jìn)戶線之后依次安裝電能表、閘刀開關(guān)、保險(xiǎn)盒，然后再連接各用電器。

(2)燈泡的開關(guān)接在火線上。

(3)燈泡的螺口與零線相連，燈頭與火線相連。

(4)插座連接原則為“左零右火”，三孔插座需要接地。

2.實(shí)驗(yàn)作品研制

(1)制作材料

本實(shí)驗(yàn)的制作材料容易獲得，大多來自實(shí)驗(yàn)室，而且成本較低、容易購買。

①AC-220V轉(zhuǎn)DC-12V變壓器，最大電流10.5 A，用于低壓直流輸出。②電能表1個(gè)、閘刀開關(guān)1個(gè)、插座1個(gè)。③12 V-18 W節(jié)能燈2只，12 V-60 W燈泡1只。④實(shí)驗(yàn)室用單刀開關(guān)2個(gè)，作為燈泡開關(guān)。⑤6～24 V汽車試電筆1支，用于檢測電路。⑥5 cm×15 cm薄木板1塊，螺釘、螺母、墊片、保險(xiǎn)絲若干，用于自制保險(xiǎn)盒。⑦紅色、藍(lán)色、黃綠相間色導(dǎo)線若干，作為火線、零線、地線。⑧尼龍拉帶若干，鱷魚夾若干，用于固定導(dǎo)線、連接導(dǎo)線。⑨75 cm×75 cm薄壓縮板1塊，鐵皮、鐵管若干，用于制作演示板及支架。

(2)主要制作工具

電鉆、老虎鉗、剝線鉗、改錐、扳子、試電筆、刻度尺、剪刀、鋸、電烙鐵、絕緣膠帶。

(3)制作方法

①設(shè)計(jì)電路、布線。根據(jù)各元件的大小、數(shù)量設(shè)計(jì)電路，將設(shè)計(jì)圖畫在壓縮木板上，并用電鉆沿導(dǎo)線所在路徑間隔10 cm打孔。由于電能表、閘刀開關(guān)、電燈開關(guān)等電路元件需用螺釘懸掛在演示板上，故在演示板上對(duì)應(yīng)各元件的適當(dāng)位置打孔。

紅色導(dǎo)線作為火線，藍(lán)色導(dǎo)線作為零線，按照線路圖布線，并預(yù)留出安裝電能表、閘刀開關(guān)、保險(xiǎn)絲、電燈、電燈開關(guān)、插座等元件的位置。用尼龍拉帶穿過壓縮板的小孔(如圖4所示)，將導(dǎo)線固定在壓縮板上。

圖4

②改裝變壓器。將變壓器的12 V輸出接口剪掉，將兩根導(dǎo)線分別接上鱷魚夾，用電壓表測出變壓器輸出端的正、負(fù)極，分別纏上紅色、黑色絕緣膠帶，以便區(qū)分(如圖5所示)。

圖5

③改裝電能表、閘刀開關(guān)。將電能表、閘刀開關(guān)兩端接上適當(dāng)長度的導(dǎo)線，將線頭剝皮1 cm(如圖6所示)。再將電能表、閘刀開關(guān)的背面安裝上螺絲并固定好，用于懸掛。

④自制保險(xiǎn)盒。由于家用保險(xiǎn)盒是將保險(xiǎn)絲置于保險(xiǎn)盒蓋內(nèi)側(cè)，所以在演示過程中操作不方便，學(xué)生也觀察不到現(xiàn)象。為解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)采用自制保險(xiǎn)盒模型，將保險(xiǎn)絲外露，便于操作和觀察。

首先在一塊約6 cm×15 cm薄木板的適當(dāng)位置上打5個(gè)孔，其中上端一個(gè)，用于懸掛螺釘；中間位置2個(gè)，下端2個(gè)，用于制作接線柱。然后將5個(gè)螺釘分別穿過每個(gè)小孔，用螺母和墊片把每個(gè)螺釘牢牢固定在木板上，再分別裝上紅色、黑色的接線柱各2個(gè)，最后裝上保險(xiǎn)絲和連接用的導(dǎo)線(如圖7所示)。

圖7

⑤改裝2個(gè)電燈開關(guān)。將單刀開關(guān)兩端打孔，分別裝上螺絲用于懸掛。再將每個(gè)接線柱接上一小段導(dǎo)線并固定好。兩個(gè)開關(guān)中，一個(gè)安裝紅色導(dǎo)線，用于接在火線上，另一個(gè)安裝藍(lán)色導(dǎo)線，接在零線上(如圖8所示)。

圖8

⑥安裝兩個(gè)燈座，其中一個(gè)螺口接零線，并在螺口處纏繞上藍(lán)色膠帶以示零線；另一個(gè)燈座螺口接火線，在螺口處纏繞紅色膠帶以示火線(如圖9所示)。

圖9

⑦安裝插座。將插座與布好的導(dǎo)線連接，并連接“地線”(實(shí)際并不接地，僅做演示)，接地的一端在演示板上畫上接地符號(hào)。用螺絲和螺母將插座固定在演示板上。

⑧將電能表、閘刀開關(guān)等元件懸掛在線路板上，用鱷魚夾把各部分元件的導(dǎo)線連接起來(如圖10所示)，檢查電路后通電進(jìn)行調(diào)試。

圖10

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新作品在教學(xué)中的使用

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

檢查電路連接，無誤后接通電路，然后進(jìn)行演示。

(1)演示電燈開關(guān)需安裝在火線上。將開關(guān)接在零線上，斷開開關(guān)，燈不亮，給人們一種燈并不帶電的假象。但是用試電筆測得燈泡裸露在外的螺口部分依然帶電(如圖11a所示)，人一旦不小心觸碰到，就可能觸電。

圖11

將開關(guān)改接在火線上，斷開開關(guān)，燈不亮。用試電筆測得燈泡的螺口并不帶電(如圖11b所示)，這種連接方法對(duì)人是比較安全的。

(2)演示燈泡的螺口應(yīng)接在零線上。將燈座的螺口與火線相連，閉合開關(guān)，燈亮。用試電筆測得燈泡的螺口部分帶電(如圖12a所示)，容易使人觸電。

圖12

將燈座的螺口與零線相連，閉合開關(guān)，燈亮。用試電筆測得燈泡螺口部分不帶電(如圖12b所示)，所以將燈座螺口與零線相連比較安全。

(3)演示插座“左零右火”的連接。用試電筆測出插座的接線方法為“左零右火”。

(4)演示保險(xiǎn)絲熔斷。實(shí)驗(yàn)中使用保險(xiǎn)絲規(guī)格為3 A，另配有一只12 V-60 W的燈泡。將燈泡裝上后，閉合開關(guān)，燈泡先亮一下，然后突然熄滅。用試電筆按照進(jìn)戶線、電能表、閘刀開關(guān)、保險(xiǎn)盒的順序檢查電路，發(fā)現(xiàn)電路發(fā)生斷路的原因是保險(xiǎn)絲熔斷了。查明故障后，可重復(fù)實(shí)驗(yàn)一次，并借助實(shí)物投影，將保險(xiǎn)絲局部放大，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行觀察。

(5)演示閘刀開關(guān)與保險(xiǎn)盒的連接順序。閘刀開關(guān)的作用是控制整個(gè)家庭電路，保險(xiǎn)盒中裝有保險(xiǎn)絲，作用是保護(hù)電路，保險(xiǎn)絲熔斷后需要進(jìn)行更換。家庭電路中，閘刀開關(guān)和保險(xiǎn)盒的安裝順序是有要求的。

將保險(xiǎn)盒置于閘刀開關(guān)之前，將閘刀開關(guān)斷開后，雖然各用電器與電源斷開了，但是由于閘刀開關(guān)位于保險(xiǎn)盒之后，并不能控制保險(xiǎn)盒。用試電筆測得保險(xiǎn)盒的火線依然帶電(如圖13a所示)，這樣人們?cè)诟鼡Q保險(xiǎn)絲時(shí)很可能會(huì)觸電。

圖13

將保險(xiǎn)盒置于開關(guān)之后，開關(guān)斷開后，用試電筆測得保險(xiǎn)盒中的火線、零線均不帶電(如圖13b所示)，人們?cè)诟鼡Q保險(xiǎn)絲時(shí)不會(huì)有危險(xiǎn)。

(6)演示電能表與閘刀開關(guān)的連接順序。盡管閘刀開關(guān)是家庭電路的總開關(guān)，也不能將之安裝在電能表之前。原因如下：

將閘刀開關(guān)置于電能表之前，閘刀開關(guān)斷開后，電能表不帶電，所以人們可以將電能表拆下，用導(dǎo)線來代替，用電器雖可以正常工作(如圖14所示)，但這是偷電的行為。若將電能表置于閘刀開關(guān)之前，開關(guān)斷開后，電能表依然帶電，能夠避免不法分子進(jìn)行偷電。

圖14

綜上所述，電能表、閘刀開關(guān)、保險(xiǎn)盒必須按照順序安裝，這樣才能保證人身安全、合法地用電。

(7)演示閘刀開關(guān)倒置的錯(cuò)誤

閘刀開關(guān)正確安裝時(shí)，閘刀向上推為閉合，向下拉為斷開。將閘刀開關(guān)倒置后正好相反，向上推為斷開。斷開后，閘刀可能會(huì)由于重力作用而下落，甚至將開關(guān)閉合也無法起到斷開電路的作用，從而帶來危險(xiǎn)。

(8)演示零線斷路故障

將進(jìn)戶線的零線斷開，閉合閘刀開關(guān)和燈的開關(guān)，燈不亮，但是用試電筆測得燈是帶電的，而此時(shí)電路中的零線也是帶電的，所以零線并不一定是絕對(duì)安全的。

2.教學(xué)中使用的效果

在家庭電路一節(jié)的教學(xué)中，本設(shè)計(jì)能夠演示較為豐富的內(nèi)容，無論是最基本的電路連接，還是家庭電路中常遇到的一些問題和故障，學(xué)生都可以親眼見到。而本設(shè)計(jì)不但能夠給學(xué)生展示正確的連接方式，還能夠引導(dǎo)學(xué)生去思考這些連接原則背后的道理，學(xué)生可以通過觀察、思考、討論，更深刻地理解這些知識(shí)。

本設(shè)計(jì)采用了12 V直流電源代替家庭電路的220 V交流電，更加安全，不但教師可以操作，學(xué)生也可以親自動(dòng)手研究，課堂上教師和學(xué)生一起動(dòng)手，一起探討，活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.使用時(shí)應(yīng)注意的問題

(1)教師需向?qū)W生說明，本實(shí)驗(yàn)為模擬實(shí)驗(yàn)，是用12 V直流電代替220 V交流電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。演示板中的線頭、開關(guān)都有裸露的金屬，實(shí)驗(yàn)中觸碰雖然安全，但在家庭電路中絕對(duì)不能如此操作，容易觸電。另外，在改裝電路時(shí)，必須斷開閘刀開關(guān)或直接切斷電源，檢查無誤后再通電，以免發(fā)生短路等故障。

(2)本實(shí)驗(yàn)用直流電代替交流電，所以實(shí)驗(yàn)電路中并沒有真實(shí)的零線、火線。電路中的紅色導(dǎo)線實(shí)際連接電源正極，模擬火線，藍(lán)色導(dǎo)線連接電源負(fù)極，模擬零線。

(3)由于本實(shí)驗(yàn)使用12 V直流電，所以生活中常用的試電筆并不適用。本實(shí)驗(yàn)采用6～24 V直流試電筆，使用時(shí)將筆尾的金屬體用導(dǎo)線與電源負(fù)極相連即可。

(4)連接電路和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，變壓器輸出端的兩個(gè)鱷魚夾要分開一定距離，可以夾在絕緣線路板上，以免發(fā)生短路。

(5)本實(shí)驗(yàn)的燈泡、節(jié)能燈等用電器的額定電壓均為12 V，需另行購買。

四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新作品展望

在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新作品的研制過程中，困擾筆者最大的問題就是各個(gè)元件的組裝與連接。

為了方便交換電能表、閘刀開關(guān)、保險(xiǎn)盒的位置，筆者在這些元件的背面裝上螺絲，懸掛在線路板預(yù)留的小孔上，又先后嘗試用帶插頭的細(xì)導(dǎo)線(如圖15所示)和帶鱷魚夾的細(xì)導(dǎo)線(如圖16所示)來連接這些元件。這種安裝方法雖然操作方便，但元件會(huì)有晃動(dòng)，細(xì)導(dǎo)線接頭的地方也不牢固，時(shí)有接觸不良的現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。

圖15

圖16

最終，筆者選用不易損壞的硬質(zhì)粗導(dǎo)線，直接使用鱷魚夾夾住兩根導(dǎo)線的線頭來進(jìn)行連接(如圖17所示)。這種連接方法解決了導(dǎo)線易損壞的問題，延長了導(dǎo)線的使用時(shí)間，不過帶來的問題是：演示實(shí)驗(yàn)的過程中，連接、改裝電路的操作比較煩瑣，學(xué)生等待的時(shí)間較長。

圖17

縱觀這幾種連接方法，雖然都能夠達(dá)到改變?cè)恢玫哪康?，但?shí)際操作中并不方便。筆者設(shè)想，可以將本實(shí)驗(yàn)與面包板相結(jié)合，插頭插入面包板，既能起到固定元件的作用，又能起到連接元件的作用。而實(shí)驗(yàn)操作時(shí)即插即用，既能夠避免損壞導(dǎo)線，還能在很大程度上縮短改裝電路的時(shí)間，從而減少學(xué)生的等待時(shí)間，提高課堂效率。

2012-02-20

李昂，本科，中教二級(jí)。

北京市石景山區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)。