對(duì)《電源和電流》演示實(shí)驗(yàn)的一些思考和改進(jìn)

孫建華

【中圖分類(lèi)號(hào)】G633.7 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）01-0170-02

人教版物理選修3-1第二章第一節(jié)《電源和電流》，本節(jié)內(nèi)容主要交代了電源的作用和恒定電流的產(chǎn)生。電源對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)既熟悉又陌生的電學(xué)原件，說(shuō)熟悉，是因?yàn)槲覀冸S處可見(jiàn)，隨處在用;說(shuō)陌生，它的工作機(jī)制到底是怎么樣的，大家都不太清楚。我們都熟知，有電源才會(huì)有電流，沒(méi)有電源就沒(méi)有電流。為什么是這樣？我們首先要搞清楚它在電路中到底充當(dāng)了一個(gè)什么樣的角色，為什么可以使得電路中產(chǎn)生恒定電流。

電源是可以實(shí)實(shí)在在看見(jiàn)的，但是它的供電原理我們看不見(jiàn);電的現(xiàn)象可以看見(jiàn)，但電流又是不可見(jiàn)的。如何將抽象的、看不見(jiàn)的、不容易理解的東西轉(zhuǎn)化成形象的、可見(jiàn)的、容易接受的東西，這個(gè)過(guò)程就需要教師對(duì)教材的細(xì)化和轉(zhuǎn)化，充分挖掘利用教材。下面筆者就談幾點(diǎn)對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)的思考和改進(jìn)。為了節(jié)省筆墨，課本中的實(shí)驗(yàn)和例題不再贅述。

一、電源引入的演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

課本中電源的引入是舉生活中的實(shí)例，對(duì)比燈泡持續(xù)發(fā)光和閃電的短暫放電。對(duì)此可做以下改進(jìn)：

所需要的儀器有：電容器（額定電壓大于2V），干電池，小燈泡（或者發(fā)光二極管），開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干。用這些儀器可以對(duì)比演示三個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）只將開(kāi)關(guān)和燈泡用導(dǎo)線接通，閉合開(kāi)關(guān)，燈泡不亮;（2）用干電池給電容器充電后將電容器和燈泡、開(kāi)關(guān)用導(dǎo)線連接，閉合開(kāi)關(guān)，燈泡能發(fā)光，但很快會(huì)熄滅;（3）將干電池、燈泡、開(kāi)關(guān)用導(dǎo)線接通，閉合開(kāi)關(guān)，燈泡可以持續(xù)發(fā)光。三個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，電路中無(wú)電流，電路中有短暫電流，電路中有持續(xù)電流，現(xiàn)象很明顯，對(duì)比現(xiàn)象不同的原因關(guān)鍵就在干電池，說(shuō)明干電池的存在能使電路中有持續(xù)的電流。干電池就是生活中常見(jiàn)的電源。

二、電源作用的演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

從初中開(kāi)始學(xué)習(xí)電流，教材中就將電流和水流做對(duì)比來(lái)幫助學(xué)生理解電流。電流和水流確實(shí)有許多相似之處，本節(jié)中為了說(shuō)明電源的作用，用抽水機(jī)和電源進(jìn)行了對(duì)比，來(lái)說(shuō)明電源存在的作用，盡管效果不錯(cuò)，但還是有一定的缺陷。比如水從抽水機(jī)流到水管口需要一定的時(shí)間，而我們開(kāi)燈瞬間燈就亮了，無(wú)需等待，和電流特點(diǎn)不符。另外，也看不到電源的外觀原理?，F(xiàn)改進(jìn)如下：用乒乓球20個(gè)，水槽兩個(gè)（內(nèi)墊毛巾）。請(qǐng)5-6個(gè)學(xué)生上臺(tái)幫忙做演示，讓學(xué)生站成一個(gè)半圓，每個(gè)學(xué)生手中拿一個(gè)乒乓球，其余的乒乓球放在一個(gè)水槽中。學(xué)生充當(dāng)導(dǎo)線，乒乓球充當(dāng)自由電子，兩個(gè)水槽分別充當(dāng)電容器的兩個(gè)極板，再請(qǐng)一個(gè)同學(xué)站在半圓中間充當(dāng)燈泡。要求如下：靠近裝有乒乓球的水槽的同學(xué)負(fù)責(zé)把水槽中的乒乓球依次傳遞出去，每個(gè)學(xué)生都要行動(dòng)起來(lái)，向同一方向傳出手中的乒乓球;因?yàn)殡娐分胁还苡袥](méi)有電流，導(dǎo)線中都有自由電子，自由電子數(shù)目不會(huì)增減，所以要保證每個(gè)同學(xué)在傳遞過(guò)程中，手中始終有且只有一個(gè)乒乓球。只要有乒乓球的傳遞就說(shuō)明電路中有電流，只要有電流燈泡就能夠發(fā)光，要求站在中間的同學(xué)在燈泡發(fā)光的時(shí)候把手舉起來(lái)示意。當(dāng)水槽中的乒乓球傳完了，傳遞過(guò)程就結(jié)束了，就相當(dāng)于電容器放電結(jié)束，電路中沒(méi)有電流，演示結(jié)束。提出問(wèn)題：允許增加演示人數(shù)，如何保證電路中始終有電流讓燈泡持續(xù)發(fā)光？辦法就是再增加一到兩個(gè)同學(xué)，負(fù)責(zé)將傳遞到空水槽中的乒乓球再源源不斷地搬回到原來(lái)的水槽中，這樣就可以使得乒乓球被無(wú)止境地傳遞，電路中始就終有電流。后面增加的兩個(gè)同學(xué)實(shí)際上就充當(dāng)了電源的作用：將正極的自由電子源源不斷地搬運(yùn)到負(fù)極。

三、關(guān)于電流定義的提出

這里可以先提出車(chē)流量的定義：用駛過(guò)某一路口的車(chē)輛數(shù)除以計(jì)數(shù)時(shí)間就表示車(chē)流量，也就是單位時(shí)間內(nèi)的車(chē)輛數(shù)。同樣，電流定義和車(chē)流定義相似，即流過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量與所用時(shí)間的比值，也就是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量。這樣比較，得到電流的定義就是水到渠成的。

四、課本例題的改進(jìn)和應(yīng)用

課本例題較復(fù)雜，做如下改動(dòng)：一段橫截面積為1mm2的銅導(dǎo)線，通過(guò)的電流為1A。已知銅導(dǎo)線中單位體積內(nèi)的銅原子個(gè)數(shù)為8.3×1028個(gè)，電子的電荷量為e=-1.6×10-19C，可以認(rèn)為每個(gè)銅原子貢獻(xiàn)一個(gè)自由電子。求自由電子定向移動(dòng)速率。結(jié)果為v=7.5×10-5m/s。讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算感受這個(gè)速度是非常小的，這與我們平常感受到的電流的傳輸速度是不相符的，問(wèn)題的設(shè)置為后面的內(nèi)容留下伏筆。

五、課堂總結(jié)和效果說(shuō)明

1.本節(jié)課的知識(shí)理論性比較強(qiáng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)學(xué)生動(dòng)手的機(jī)會(huì)比較少，所以要多給學(xué)生創(chuàng)造動(dòng)的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的參與度，對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)有好處。相對(duì)于水流比較，用乒乓球代替自由電子更形象、直觀，從微觀層面說(shuō)明了電源和電流的特點(diǎn);而且使部分學(xué)生可以參與到活動(dòng)中來(lái)，不僅可以觀察現(xiàn)象，還能自己動(dòng)手。學(xué)生參與度高，提高了學(xué)生興趣。

2.傳遞乒乓球過(guò)程中，只要命令下達(dá)，每個(gè)同學(xué)都開(kāi)始動(dòng)，凡是在手中的乒乓球都開(kāi)始被傳遞。這個(gè)演示可以清楚地說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題：因?yàn)閷?dǎo)體中始終有自由電子，凡是電場(chǎng)傳遞到的位置，自由電子就在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng);所以開(kāi)關(guān)一旦閉合，無(wú)需等待電流就可以傳遞到各處，說(shuō)明電流的傳輸速度不是自由電子的定向移動(dòng)速度，而是電場(chǎng)的傳輸速度，即光速。