巧用自制演示實(shí)驗(yàn) 促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)
——談自制教具在電容、電感教學(xué)中的應(yīng)用

祁紅菊

(江蘇省奔牛高級(jí)中學(xué) 江蘇 常州 213131)

人教版《物理·選修3-2》第五章第3節(jié)“電感和電容對(duì)交變電流的影響”中，電感和電容對(duì)交變電流的阻礙作用非常抽象，學(xué)生普遍反映難以理解.筆者搜集、購(gòu)買(mǎi)多種型號(hào)的實(shí)驗(yàn)器材，自制教具，多次調(diào)整，并在課堂教學(xué)中加以應(yīng)用.發(fā)現(xiàn)不僅可以有效地突破重難點(diǎn)，使學(xué)生更易理解物理概念和規(guī)律，還可以很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，啟迪思維，增強(qiáng)學(xué)生的探究欲望，教學(xué)效果非常好.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)一：有趣的濾波實(shí)驗(yàn)

器材：筆記本電腦一臺(tái)，“公對(duì)公”音頻線(xiàn)3.5 mm一根，教師用小蜜蜂擴(kuò)音器一只.

制作：將音頻線(xiàn)最外層的塑料皮切開(kāi)，露出紅、綠、黑3根線(xiàn)，將其中的一根紅線(xiàn)剪斷，剝離導(dǎo)線(xiàn)末端的護(hù)層,露出金屬銅線(xiàn),如圖1所示.

圖1 制作導(dǎo)線(xiàn)

演示：

步驟一，用音頻線(xiàn)將筆記本電腦與擴(kuò)音器連接起來(lái)；

步驟二，筆記本播放事先挑選的雜音很多的音樂(lè)，將紅色導(dǎo)線(xiàn)接通，此時(shí)擴(kuò)音器中播放出的音樂(lè)雜音很重，歌詞模糊不清；

步驟三，在斷開(kāi)的金屬銅線(xiàn)間連一0.003 9 μF的電容器，此時(shí)擴(kuò)音器中播放的音樂(lè)已基本沒(méi)有雜音，歌詞清晰可辯.

說(shuō)明：此實(shí)驗(yàn)用于新課引入，學(xué)生興趣盎然.

實(shí)驗(yàn)二:電感對(duì)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(xiàn)若干，直徑為16 mm，長(zhǎng)為80 mm的PVC塑料管兩只，電磁感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的原線(xiàn)圈(24009)的鐵芯兩個(gè)，J2462-1信號(hào)發(fā)生器(圖2)一只，學(xué)生電源一只，單刀單擲開(kāi)關(guān)和單刀雙擲開(kāi)關(guān)各一只，紅、黑接線(xiàn)柱各一個(gè)，導(dǎo)線(xiàn)若干.

圖2 J2462-1型信號(hào)發(fā)生器

制作：木工板加工成30 cm×40 cm，將漆包線(xiàn)繞在PVC管上，制成匝數(shù)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(duì)交變電流的阻礙作用

步驟一，AB間接學(xué)生電源直流擋，電壓為6 V，電感接L1，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡亮；

步驟二，AB間接學(xué)生電源交流擋，電壓為6 V，電感仍然接L1，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡亮度明顯減弱.

結(jié)論：電感通直流阻交流.

(2)感抗與自感系數(shù)的關(guān)系

步驟一，AB間接學(xué)生電源交流擋，電壓為6 V，電感接L1，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡較亮；換電感L2，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡變暗.

步驟二，AB間仍接上述電源，電感接L1，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡亮．將L1管中鐵芯拔除，燈泡明顯變亮.

結(jié)論：自感系數(shù)越大，感抗越大.

(3)感抗與交變電流頻率的關(guān)系

AB間接低頻信號(hào)發(fā)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(diào)到最低，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的幅度，使燈較亮．慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)低頻信號(hào)發(fā)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(jié)論：交變電流的頻率越高，感抗越大.

實(shí)驗(yàn)三：電容對(duì)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(hào)發(fā)生器一只，學(xué)生電源一只，單刀單擲開(kāi)關(guān)和單刀雙擲開(kāi)關(guān)各一只，紅、黑接線(xiàn)柱各一只，導(dǎo)線(xiàn)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(xué)生電源直流擋，電容接C1，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡不亮.

結(jié)論：穩(wěn)恒直流電不能夠通過(guò)電容器.

(2)電容器通交流并對(duì)交流有阻礙作用

AB間接學(xué)生電源交流擋，電壓為4 V，電容接C1，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡亮．用導(dǎo)線(xiàn)將電容器短路，燈泡變得更亮.

結(jié)論：交變電流能夠通過(guò)電容器，電容器對(duì)交變電流有阻礙作用.

(3)容抗與電容大小的關(guān)系

接學(xué)生電源交流擋，電壓為4 V，電容接C1，閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡亮，換用C2，可以看到燈泡明顯變亮.

結(jié)論：電容越大，容抗越小.

(4)容抗與交變電流頻率的關(guān)系

AB間接低頻信號(hào)發(fā)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(diào)到最高，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的幅度，使燈較亮.慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)低頻信號(hào)發(fā)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(jié)論：交變電流的頻率越高，容抗越小.

實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)一只，紅、黑接線(xiàn)柱各一只，導(dǎo)線(xiàn)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(kāi)關(guān)打到1的瞬間，燈泡亮一下；開(kāi)關(guān)打到2的瞬間，燈泡又亮一下，快速地反復(fù)地將開(kāi)關(guān)在1，2間切換，可看到燈泡持續(xù)閃亮.

結(jié)論：電容器“通電”的實(shí)質(zhì)就是電容器不斷地充、放電.

2 實(shí)驗(yàn)分析

“實(shí)驗(yàn)一”中教師可以向?qū)W生說(shuō)明，此處的電容起了濾除雜音的作用.教師還可以向?qū)W生演示，若換接一只大電容，就會(huì)發(fā)現(xiàn)濾除雜音的效果不佳.不需教師發(fā)問(wèn)，此時(shí)學(xué)生的腦海中就必然存在若干個(gè)為什么.此實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，效果明顯，極大地刺激了學(xué)生的感官，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了他們學(xué)習(xí)的興趣和求知欲.興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)自覺(jué)性和積極性的核心因素，是學(xué)習(xí)的強(qiáng)化劑.只有當(dāng)一名學(xué)生對(duì)所學(xué)的課程發(fā)生了興趣時(shí)，才會(huì)積極主動(dòng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)，才會(huì)愿意更深層次地思考，從淺層的學(xué)習(xí)進(jìn)入更深層次的學(xué)習(xí).

“實(shí)驗(yàn)二”和“實(shí)驗(yàn)三”既可以作為演示實(shí)驗(yàn)，也可以作為學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)、觀(guān)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(xué)生經(jīng)歷一個(gè)完整的知識(shí)構(gòu)建的過(guò)程.整個(gè)過(guò)程中，物理概念和規(guī)律在學(xué)生的頭腦中會(huì)很自然地建立，教師無(wú)需用更多的語(yǔ)言來(lái)解釋.這樣的實(shí)驗(yàn)不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的主觀(guān)能動(dòng)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(xué)生的觀(guān)察能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

“實(shí)驗(yàn)四”電路設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，卻將電容器充、放電這一抽象內(nèi)容可視化地展現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生通過(guò)直觀(guān)形象獲得感知，推進(jìn)了探究活動(dòng)，幫助學(xué)生順利完成知識(shí)的自主建構(gòu).有條件的學(xué)校也可以用電流傳感器記錄這一過(guò)程，通過(guò)i-t圖像直觀(guān)地觀(guān)察到電容器充放電時(shí)電流隨時(shí)間的變化情況.

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)擯棄功利化，切忌紙上談兵，教師要意識(shí)到實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生興趣和可持續(xù)發(fā)展能力等方面的重大作用.本節(jié)課所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)明、直觀(guān)、效果明顯，且易于取材制作.上課的過(guò)程中學(xué)生主動(dòng)參與、思考積極、氣氛活躍，在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比、分析、歸納和總結(jié)，讓學(xué)生深切地感受到了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，收獲的快樂(lè)和成功的愉悅.

參 考 文 獻(xiàn)

1 王少東.“電感和電容對(duì)交變電流的影響”演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2016(3)：13～14

2 冀林，周穎潔.巧設(shè)實(shí)驗(yàn)，提升思維，促進(jìn)運(yùn)用——淺析“電感和電容對(duì)交變電流的影響”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).物理教師，2014(8)：50～51