“交變電流”演示實驗的改進與創(chuàng)新

劉煥奇

(江蘇省太倉高級中學,江蘇 太倉 215411)

交變電流是生產(chǎn)生活常見到的電流,交變電流是電磁感應知識的應用和提高,交變電流一節(jié)內(nèi)容是“交流電”一章理論知識的基礎,與之相對應的交流發(fā)電機演示實驗是掌握學習交變電流的基石．按照新課改理念,“交變電流”一節(jié)最好采用探究式教學的方式來完成,即要學生通過獨立思考和小組合作,自主設計實驗,并按設計的方案進行探究,深入體驗交變電流生成的真實過程．鑒于此筆者對“交流發(fā)電機演示實驗”進行了如下的改進和創(chuàng)新．

1 教材原有經(jīng)典實驗的局限

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)電機模型如圖1所示,搖動手柄,發(fā)電機即可發(fā)電,白熾燈泡發(fā)光變亮．然后通過連接示波器測出其電流-時間變化的波形,發(fā)現(xiàn)瞬時電流隨時間做周期性變化,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不是真正的勻強磁場造成的．

圖2

1.2 課堂上使用時缺憾

按照新課改理念,采用探究式教學來操作本實驗時,發(fā)現(xiàn)本裝置在課堂教學中還存在以下幾點不方便之處:其一線圈面積小,匝數(shù)多,又被磁鐵框架遮擋,學生看不清楚內(nèi)部結構,無法形成強烈的視覺沖擊,從而造成對交變電流的形成原理的深入理解存在著一定的困難,學生仍然感覺比較抽象;其二傳送皮帶的帶動作用使線圈轉(zhuǎn)速遠遠大于手柄搖動轉(zhuǎn)速,線圈轉(zhuǎn)速太快,頻率過大,學生不能同步跟蹤交變電流的形成過程; 其三是交流發(fā)動機整機固定成型,不便拆卸安裝,不利于應用“探究式教學”進行自主設計,分層組建和科學探究．

2 自制的交流電發(fā)電機演示儀

2.1 自制交流發(fā)電機的原理

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

2.2 自制交流發(fā)電機的主要結構

圖3

線圈采用直徑為4mm的銅導線制作長40cm、寬60cm、匝數(shù)為4匝的矩形線框,4個角分別用書帖標明ABCD,中間用一根光滑的圓柱形長桿作為轉(zhuǎn)軸,將它們架在兩鐵架臺的中間,用一有箭頭的導線表示勻強磁場的方向．線框通過微電流傳感器連接在DIS系統(tǒng)中．用手輕輕轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸,即可產(chǎn)生交變流電．實物結構如圖3所示．自制交流發(fā)電機原理圖如4所示.

圖4

2.3 本實驗裝置的創(chuàng)新之處

(1) 由于線圈的變大,形成強烈的視覺和空間沖擊,在大腦中形成深刻印象,學生置身其中,身臨其境,通過實際操作,感知到中性面的具體位置,觸摸到導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態(tài)輸出真實電流,直觀形象地呈現(xiàn)出隨著線圈角速度的增加,交流電瞬時值同步變大的過程,直接讀懂交變電流的周期和頻率的實際意義．

(3) 充分利用時空,合理利用地磁場,主動運用“微元思想”生成勻強磁場,實驗裝置簡單明了,實驗效果明顯,波形非常貼近理想正弦交流電．

(4) 儀器取材方便,貼近學生生活實際,學生很容易想到,安裝靈活方便,也很容易做到(共4匝線圈)．有很好的親和力,方便學生進行實驗原理的自主設計,符合探究式教學的具體要求．

3 使用自制交流發(fā)電機進行科學探究的步驟方法

3.1 運用電磁感應知識,創(chuàng)新設計實驗原理

教學片段.

老師: 同學們我們已經(jīng)認識了交變電流．現(xiàn)有自制大線圈,老師借給你講臺空間,還有一微電流傳感器,你能設計出電路發(fā)電嗎?請小組自主設計討論．

學生:借助地球磁場:讓閉合線框在磁場中轉(zhuǎn)動,使通過線框的磁通量發(fā)生周期性改變．

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

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

設計思想： 源自生活,返璞歸真,以簡致勝,借地球磁場構建綠色情景,通過微電流傳感器,讓學生創(chuàng)新設計真實的發(fā)電實驗．

3.2 小組配合安裝實驗儀器,操作生成交變電流

教學片段.

老師:現(xiàn)在請兩名學生到前面安裝實驗器材和電路并操作,我們拭目以待．

學生: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,通過配合操作得出微電流時間變化圖像,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)

學生:第一點,我們由電流變化的規(guī)律性讀出線圈轉(zhuǎn)動的重復性,線圈轉(zhuǎn)動一周就是一個周期．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,電流在最大值附近有發(fā)生突變現(xiàn)象．這兩點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?

學生甲:轉(zhuǎn)動角速度發(fā)生變化．

學生乙:地磁場非勻強磁場．

老師:很好,假如我們做出這樣的改進,保持轉(zhuǎn)動角速度ω不變,在剛才的空間區(qū)域加上勻強磁場B,用4匝邊長分別為LAB、LAD的矩形線圈在其中按照剛才的模式轉(zhuǎn)動起來,會產(chǎn)生什么樣的交變電流呢?

設計思想： 學生自主操作、自主發(fā)現(xiàn),篩選出地磁和轉(zhuǎn)速兩大問題,動態(tài)生成構建理想交流發(fā)電機模型．

3.3 由“一般到特殊”,由“三維到二維”進行科學思維探究

教學片段.

老師:對于線圈在三維立體空間中轉(zhuǎn)動,我們?nèi)粢阉嬙诎装迳线M行電磁感應研究,我們該做怎樣的取舍來才能準確地畫出電流方向、線圈運動方向,便于我們分析?

學生:畫出截面圖(降維處理).

老師:對于線圈的連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動過程,我們要分析線圈中感應電動勢的變化規(guī)律,該遵循什么樣的研究規(guī)律?

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

師生共同探究分析4個位置情況,得到相應的電壓、電流等規(guī)律結論…

設計思想： 聚焦交流發(fā)動機4個典型狀態(tài),鼓勵學生的亮點思維,完成三維變二維的空間降維轉(zhuǎn)換,培養(yǎng)學生空間想象能力和思維創(chuàng)新能力．

3.4 由實驗到理論,完成科學探究全過程

教學片段.

老師:同學們,你們覺得研究交變電流的變化規(guī)律,僅僅研究這4個位置的變化情況,足夠說明問題嗎?若不夠,還該做怎樣的研究?

學生:我認為不夠,我們應該再選一個代表任意位置的一般性的點作為研究對象,研究出它的變化特征,才能代表普遍性規(guī)律,具有說服力．

老師:很好,下面我們?nèi)芜x一個位置,同學們根據(jù)已知物理量來推導其電動勢大小隨時間變化規(guī)律……．

最后,在推導出正弦交變電流的瞬時表達式之后,讓學生根據(jù)函數(shù)方程到白板上畫出交變電流的圖像．與實驗得到的圖像相吻合．

設計思想： 科學疏導,捕捉時機,由定性到定量,從靜態(tài)到動態(tài),誘發(fā)學生掌握由特殊情形過渡到一般函數(shù)方程的嚴密數(shù)學推理過程,全面感知交變電流．

以上是對交流發(fā)電機創(chuàng)新實驗應用的部分教學片段．從學生課后檢測數(shù)據(jù)獲知,該實驗在教學各方面基本上都優(yōu)于經(jīng)典手搖發(fā)電機的課堂應用,特別體現(xiàn)在以問題為引領、探究為主線、以發(fā)展學生科學思維為目標的教學方面表現(xiàn)尤為突出,經(jīng)課堂上反復嘗試應用,效果特別理想．