家用電器在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用思考

買(mǎi)買(mǎi)提艾則孜·阿不都熱合曼 阿不都米吉提·阿不都拉 阿依提拉·伊力哈木

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家用電器在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用思考

買(mǎi)買(mǎi)提艾則孜·阿不都熱合曼 阿不都米吉提·阿不都拉 阿依提拉·伊力哈木

（和田師范專(zhuān)科學(xué)校職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆和田 848000）

家用電器引入物理教學(xué)的環(huán)節(jié)，旨在是提高學(xué)生的動(dòng)手能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，揭示物理概念和規(guī)律，加深對(duì)概念和規(guī)律的理解。把家電工作原理與探究性教學(xué)有效地結(jié)合起來(lái)，全面促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造思維形成。

家用電器應(yīng)用；物理問(wèn)題分析；實(shí)驗(yàn)

近年來(lái)，新課標(biāo)的中學(xué)物理課程更加注重理論聯(lián)系實(shí)際，家用電器引入物理教學(xué)探究性教學(xué)環(huán)節(jié)，真正落實(shí)物理課程目標(biāo)。同時(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，揭示物理概念和規(guī)律，加深對(duì)概念及規(guī)律的理解。促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造思維能力，發(fā)展科學(xué)探究能力。

1. 家用電器在物理理論教學(xué)中的應(yīng)用

在電磁感應(yīng)與物態(tài)變化過(guò)程中，汽化-液化是中學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn),由于教學(xué)內(nèi)容比較抽象,學(xué)生很難理解。所以如果能尋找出與日常生活比較貼近的例子,讓學(xué)生有更多的切身體驗(yàn),則更能讓學(xué)生理解自然規(guī)律。

1.1在講解渦電流時(shí)，一般舉例都比較抽象，好在日常生活中常見(jiàn)的電磁爐為我們提供了一個(gè)好的例子。電磁灶是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種爐灶（圖1）。它在一個(gè)多股銅導(dǎo)線(xiàn)繞制的加熱線(xiàn)圈內(nèi)，通以交變電流而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)電磁灶上未放置需加熱的導(dǎo)磁金屬鍋時(shí),交變磁場(chǎng)的磁路基本上是空氣磁路,磁阻很大。此時(shí)，加熱線(xiàn)圈中只有一個(gè)很小的空載電流通過(guò), 當(dāng)金屬鍋體放到電磁灶上時(shí)，鍋?zhàn)犹幱诮蛔兇艌?chǎng)中,原來(lái)大部分的空氣磁路被代之以導(dǎo)磁體,磁阻減小,交變磁場(chǎng)大大加強(qiáng)。在交變磁場(chǎng)作用于鍋底，產(chǎn)生大量渦流,從而使鍋體獲得焦耳熱,溫度迅速升高,這樣就使電磁能轉(zhuǎn)變熱能，達(dá)到加熱的目的。

圖1：電磁爐工作原理

1.2講汽化-液化時(shí)，電冰箱是根據(jù)物質(zhì)（氟利昂）的汽化過(guò)程吸熱，液化過(guò)程放熱原理制成的一種制冷設(shè)備見(jiàn)圖2。圖2是電冰箱的構(gòu)造和原理。壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷后的低溫低壓制冷劑（氟利昂），然后壓縮成高溫高壓蒸氣送入冷凝器。高溫高壓蒸氣經(jīng)冷凝器冷卻后，使蒸氣冷凝變?yōu)橐后w（放熱）。當(dāng)常溫高壓液體流入毛細(xì)管時(shí)，毛細(xì)管流入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑，壓力減少迅速汽化，從周?chē)矬w吸熱，使冷凍室的溫度降低。蒸發(fā)后的制冷劑回到壓縮機(jī)中，被壓縮機(jī)壓成高溫高壓蒸氣，又經(jīng)冷凝器，過(guò)濾器，毛細(xì)管進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)（汽化）吸熱。這樣如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了電冰箱制冷的目的。

圖2：電冰箱工作原理表示出了電冰箱的構(gòu)造和原理。

2.家用電器有關(guān)的物理問(wèn)題分析

在生活中，家用電器長(zhǎng)見(jiàn)有關(guān)豐富的物理知識(shí)。把家電與物理知識(shí)有效地結(jié)合起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)熱愛(ài)科學(xué)的情感，又可以增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，下面舉行幾例說(shuō)明。

2.1某同學(xué)家中彩色電視機(jī)屏幕的色純不良，屏幕右上角紅發(fā)，維修部的技術(shù)人員檢查后認(rèn)為是消磁電路出了故障（電路圖3所示）。引起故障的原因可能是（ ）

①彩色顯象管

②消磁線(xiàn)圈開(kāi)路，

③消磁電阻開(kāi)路，

④消磁電路插座接觸不良

①② B.①②③ C.②③④ D. ①②③④

圖3：電視機(jī)工作圖

解析：開(kāi)機(jī)后觀察屏幕，圖像，伴音均正常，但左上角圖像發(fā)紫，明顯色純度不良，無(wú)信號(hào)時(shí)左上角發(fā)紅，關(guān)機(jī)后再開(kāi)機(jī)，紅色區(qū)不能消除。

根據(jù)這種現(xiàn)象分析，色純度不良故障是機(jī)內(nèi)自動(dòng)消磁功能沒(méi)有起到作用造成的，應(yīng)重點(diǎn)檢查自動(dòng)消磁電路插頭是否插好，消磁線(xiàn)圈及消磁電阻RT是否開(kāi)路，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)消磁線(xiàn)圈及消磁電阻RT的電阻值無(wú)窮大，更換消磁線(xiàn)圈及消磁電阻后，故障排除。

為了避免彩色電視機(jī)受地磁的影響，保證在各地收看時(shí)無(wú)色純度不良現(xiàn)象，因此彩色電視機(jī)中都設(shè)有開(kāi)機(jī)瞬間自動(dòng)消磁電路，它由消磁線(xiàn)圈和正溫度系數(shù)電阻RT組成。開(kāi)機(jī)時(shí)RT電阻值很?。s為12），交流220V在消磁線(xiàn)圈中產(chǎn)生強(qiáng)大電流，電流流通產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，給電視機(jī)消磁，消去地磁的影響，開(kāi)機(jī)后由于流經(jīng)RT電流大，升溫快，很快RT電阻值變大，使流過(guò)線(xiàn)圈的電流減小。當(dāng)消磁線(xiàn)圈開(kāi)路后，消磁線(xiàn)圈中無(wú)電流流通，不能產(chǎn)生磁場(chǎng)，使自動(dòng)消磁失去作用，彩色電視機(jī)受地磁的影響，而產(chǎn)生色純不良的現(xiàn)象，綜合以上可知應(yīng)選C項(xiàng)。

2.2如圖4（a），（b）所示是一個(gè)電熱水器的型號(hào)和簡(jiǎn)單電路圖。

問(wèn)題：（1）當(dāng)該熱水器裝滿(mǎn)20℃的水時(shí)，在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下把水燒開(kāi)，需要吸收多少熱量？

（2）電熱水器中R0，R的阻值各是多少？

（3）經(jīng)測(cè)試，燒開(kāi)一滿(mǎn)壺20℃的水需要6/8小時(shí)，則該電熱水器的熱效率為多少？

圖4：電熱器簡(jiǎn)單電路圖

解答：

（2）溫控器（或溫控開(kāi)關(guān)）閉合時(shí),熱水器處于加熱狀態(tài),額定功率P額定= U2/R0=(220V)2/R0=1500W溫控器斷開(kāi)時(shí), 熱水器處于保溫狀態(tài), 保溫功率P保溫=U2/(R0+R)= (220V)2/(R0+R)=30W,解得R0=32.3R=1581

（3）燒開(kāi)一滿(mǎn)壺20℃的水電W=Pt=1500W×6/8×3600s=4.05×106J電熱水器的熱效率為=Q/W=3.36×106J/4.05×106J=83%

2.3如圖5（a）是家用電熨斗的電路原理圖（額定電壓為220V）。R0是定值，R是可變電阻（調(diào)溫開(kāi)關(guān)），其電阻值均不受溫度影響。

（1）該電熨斗溫度最低時(shí)的耗電功率為121W，溫度最高時(shí)的耗電功率為484W，求R0的阻值及R的阻值變化范圍。

（2）假定電熨斗每秒鐘散發(fā)的熱量Q跟電熨斗表面溫度與環(huán)境溫度的溫差關(guān)系如圖5（b）所示，現(xiàn)在在溫度為20℃的房間使用該電熨斗來(lái)熨燙毛料西服，要求電熨斗表面溫度為220 ℃，且保持不變，問(wèn)應(yīng)將R的阻值調(diào)為多少？

圖5：電燙斗工作原理

（1）溫度最低擋：P1= U2/（R最+ R0），即121= 2202/（R最+ R0）。

系統(tǒng)采用“可設(shè)時(shí)段+閉環(huán)系統(tǒng)”方式設(shè)計(jì)?？稍O(shè)時(shí)段，指在不同的地區(qū)春夏秋冬四季跟蹤開(kāi)始和停止的時(shí)段可以設(shè)置[6]。閉環(huán)系統(tǒng)，是指系統(tǒng)處于跟蹤時(shí)段內(nèi)，由感光部分采集當(dāng)前跟蹤位置信息→控制部分根據(jù)位置信息處理是否要姿態(tài)調(diào)整：①不調(diào)整→進(jìn)入時(shí)間間隔(根據(jù)精度要求設(shè)定)→感光部分采集當(dāng)前跟蹤位置信息；②要調(diào)整→根據(jù)位置信息處理情況，驅(qū)動(dòng)雙軸傳動(dòng)裝置進(jìn)行一次水平方位和垂直高度姿態(tài)調(diào)整→感光部分采集當(dāng)前跟蹤位置信息[4-5]。其系統(tǒng)框圖如圖4。

溫度最高擋：P2= U2/ R0，即484=2202/R0 。由以上兩式可解得R0=100，R最=300。

由圖像知電熨斗每秒鐘散發(fā)的熱量Q=)44/20(×200J=440J。

要保持電熨斗表面溫度不變，則電熨斗的電功率P=440W。又P=U2/(R+R0)，即440=2202/(R+100R)=10，故應(yīng)將R調(diào)至10。

3.利用家電做物理演示實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中占有十分重要的地位，它在教學(xué)過(guò)程中能給學(xué)生提供觀察物理現(xiàn)象的環(huán)境條件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、解決問(wèn)題的能力。用小家電做演示實(shí)驗(yàn)，取材容易，現(xiàn)象明顯。生動(dòng)直觀，同時(shí)彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)儀器的缺乏。實(shí)踐證明，效果很好，學(xué)生很感興趣。

3.1用電飯鍋中的磁性溫控器件演示磁體與溫度的關(guān)系

高中物理教材中關(guān)于“磁性材料”內(nèi)容很多，磁性材料按去磁的難易可分為硬磁性材料和軟磁性材料。磁化后容易去磁的物質(zhì)叫軟磁性材料，不容易去磁的物質(zhì)叫硬磁性材料。例如：電飯鍋中的磁性溫控器件（或磁鋼限溫器）主要由永久磁鋼和感溫軟次組成，如圖7所示。在位置固定的感溫軟磁下有一個(gè)永久磁鋼，永久磁鋼的下面有一彈橫以一定的拉力件。在常溫下，永久磁鋼與軟磁鐵是分開(kāi)的，當(dāng)永久磁鋼與軟磁貼近，即軟磁吸住永久磁鋼，使得它們所帶動(dòng)的兩個(gè)觸點(diǎn)閉合，電熱元件通電發(fā)熱。一旦單熱元件發(fā)熱超過(guò)預(yù)定值，溫度上升到感溫軟磁的居里點(diǎn)（1032℃）時(shí)，軟磁的磁力急劇減小，使得彈橫拉力與永久磁鋼的重力之和大于磁吸力，永久磁鋼下兩觸點(diǎn)脫離，電熱元件斷電。

圖7：電飯鍋中的磁性溫控器件

3.2用收音機(jī)演示電磁波的屏蔽

打開(kāi)收音機(jī)調(diào)節(jié)某一電臺(tái)能聽(tīng)到清晰播音。試驗(yàn)中找一金屬飯盒、金屬鍋或金屬薄膜袋乏類(lèi)的東西，把收音機(jī)放入其中，全部覆蓋后，就聽(tīng)不到播音了，反復(fù)試幾次，說(shuō)明這是電磁場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)。

利用小家電做物理演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是取材容易、操作簡(jiǎn)單。這類(lèi)演示實(shí)驗(yàn)直接聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。只要大家勤于思考，還可以設(shè)計(jì)出利用小家電做更多的其他類(lèi)型演示實(shí)驗(yàn)。

3.3利用家電中的溫度傳感器演示熱敏電阻的溫度特性

熱敏電阻用于溫度檢測(cè)，分為三類(lèi) ：一類(lèi)是制冷設(shè)備中常用半導(dǎo)體負(fù)溫度系數(shù)NTC （Negative Temperature Coefficient）熱敏電阻，其阻值隨溫度升高顯著變??；二類(lèi)是家用的暖風(fēng)器、電熱水器、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)等電器設(shè)備中常用半導(dǎo):體正溫度系數(shù)PTC（Positive Temperature Coefficient)）熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而增大；三類(lèi)是臨界溫度系數(shù)CTR(CriticalTemperature Resistivity) 熱敏電阻, 在某一溫度下，電阻值隨溫度增加急劇減小，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)，具有突變特性。這三類(lèi)熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8：三類(lèi)熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線(xiàn)

（1）器材：熱敏電阻（PTC，NTC）；溫度計(jì)；燒環(huán)（備有冷。熱水）或保溫容器；多用電表；開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線(xiàn)等。

（2）研究（演示）NTC熱敏電阻的熱敏特性

實(shí)驗(yàn)步驟：

如圖9所示，將熱敏電阻與多用電表的兩表筆相連，將多用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于歐姆擋。

圖9：熱敏電阻與多用電表:相連示意圖

②將熱敏電阻放入適量冷水并插有溫度計(jì)的燒壞（保溫容器）中，記下水溫和熱敏電阻的阻值。

③分幾次向燒壞（保溫容器）中倒入熱水或繼續(xù)加熱，記下水溫和熱敏電阻的阻值。

④觀察分析不同溫度下熱敏電阻的阻值，發(fā)現(xiàn)溫度升高電阻減少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯。

（3）研究（演示）PTC熱敏電阻的熱敏特性

實(shí)驗(yàn)步驟：

①按圖8電路，只熱敏電阻PTC換NTC，其他部分不變。

②先用多用電表測(cè)出燒壞（保溫容器）中水末加熱時(shí)，熱敏電阻的阻值，并記下溫度計(jì)的示數(shù)。

③分幾次向燒壞（保溫容器）中倒入熱水或繼續(xù)加熱，記下水溫和熱敏電阻的阻值。

④觀察分析不同溫度下熱敏電阻的阻值，發(fā)現(xiàn)溫度升高電阻增大。

四 結(jié)束語(yǔ)

在生活中，了解家用電器有關(guān)豐富的物理知識(shí)。并有效地結(jié)合起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解，并能培養(yǎng)他們動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果或又能得到很好的效果)。

[1]虞獻(xiàn)文.家用電器原理與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2001.12

[2]萬(wàn)中厚.生活與物理[J] .物理教學(xué)，2006.1

[3]王璦等.熱敏電阻溫度特性的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集[J].物理實(shí)驗(yàn)，2007.3

買(mǎi)買(mǎi)提艾則孜?阿不都熱合曼（1962-），男，維吾爾族，新疆于田人，和田師范專(zhuān)科學(xué)校職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)研究。

2015-10-2