滲透技術(shù)教育的高中物理教學探討①——以“互感”教學為例

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

1 引言

技術(shù)是科學、工程和數(shù)學的應(yīng)用，主要解決“如何做”的問題。筆者在“互感”的教學中滲透技術(shù)教育，創(chuàng)設(shè)情景,引入新課,運用創(chuàng)新實驗進行教學,順利完成了“互感”的實驗探究,著重體現(xiàn)物理學的應(yīng)用性與實踐性。以“無線充電技術(shù)”為例,從無線充電技術(shù)的產(chǎn)生背景、定義、原理、應(yīng)用等方面進行簡要闡述,促進學生對電磁感應(yīng)定律的深刻理解。物理學科核心素養(yǎng)的“科學態(tài)度與責任”中包含了技術(shù)的要素,在本節(jié)課的教學中,學生在教師的引導下完成從科學探究到技術(shù)應(yīng)用的有效銜接,通過“知識—構(gòu)建—設(shè)計—應(yīng)用”的過程,提升高中生的物理學科核心素養(yǎng)。

2 “互感”的教學過程

2.1 電影導入，激發(fā)興趣

播放電影《致命魔術(shù)》的片斷,這部電影主要講述了在魔術(shù)盛行的維多利亞時期著名科學家特斯拉的故事。電影中的魔術(shù)師手里拿了一個大燈泡,在沒有用電線的情況下,大燈泡被點亮了,使現(xiàn)場的觀眾驚呼:“魔法，真正的魔法!”

教師提問:在剛才的影片片斷中,我們觀察到燈泡亮了。請同學們思考:燈泡為什么會被點亮?接下來老師將用物理知識為大家進行講解。

設(shè)計意圖:中學生的好奇心很強,喜歡新鮮的東西,引入此電影片斷,播放與互感有關(guān)的“魔術(shù)”現(xiàn)象,以此激發(fā)學生的學習興趣。

2.2 實驗演示,引發(fā)思考

師:老師在第一次看到這部電影時和大家的感受一樣,頗為驚訝,不過在經(jīng)過短暫的思考和分析后,便知其所以然,接下來就讓我們一起探究吧!

教師演示:將一個燈泡與線圈連接,放在正在工作的電磁爐上,學生發(fā)現(xiàn)小燈泡亮起來了。

師:圖1是電磁爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,當接通交流電源時,線圈中便有了電流。但連接燈泡的線圈并沒有和電磁爐中的線圈相連接,小燈泡為何會亮起來呢?

圖1

設(shè)計意圖:日常生活與物理學密不可分,用生活中的實例進行課堂教學,引導學生用所學知識分析實驗現(xiàn)象,逐步概括出互感的定義,并指出互感的本質(zhì)就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,體現(xiàn)了“從生活走向物理”的課程理念。

2.3 新課教學,講解知識

(1)引導學生總結(jié)出相關(guān)結(jié)論:沒有用導線連接的兩個線圈之間,當一個線圈中的電流變化時,它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,我們把這種現(xiàn)象叫做互感,由互感現(xiàn)象產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫做互感電動勢,互感現(xiàn)象實質(zhì)上是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

(2)利用互感現(xiàn)象可以把能量從一個線圈傳遞到另一個線圈。如變壓器由鐵芯、原線圈(初級線圈)和副線圈(次級線圈)構(gòu)成,應(yīng)用了互感原理。在電力工程和電子線路中,互感有時會影響電路的正常工作,需設(shè)法減小互感的危害。

2.4 揭秘演示實驗,加深理解

電磁爐里有多匝密繞線圈,接通交流電源時，線圈中的電流發(fā)生變化，產(chǎn)生了變化的磁場，會在懸空放在電磁爐上方的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,應(yīng)用了互感原理(圖2)。

圖2

2.5 自制教具,深入探究

(1)教具制作材料

一根完整的耳機線,一根改裝的耳機線,一根改裝的音頻線,一臺音頻放大器,一部手機，兩個匝數(shù)不同的螺線管(圖3)。

圖3

(2)實驗原理

如圖4所示，左側(cè)部分是音頻產(chǎn)生與放大電路,右側(cè)部分為功率放大器,A為初級線圈,B為次級線圈。由互感原理可知:互感電動勢的大小正比于穿過線圈磁通量的變化率。手機播放音樂時,電信號經(jīng)過音頻放大器放大,成為較強的交變電流信號,在線圈A中產(chǎn)生變化的磁場,通過互感在線圈B中感應(yīng)出交變電流,從而使音箱發(fā)聲。

圖4

(3)創(chuàng)新之處

手機發(fā)出的音頻信號不經(jīng)放大,聲音一般很小,難以達到預(yù)期的演示效果,設(shè)計過程中加入一個放大電路，不但提高了音質(zhì),還減小了失真現(xiàn)象。

3 技術(shù)應(yīng)用

21世紀是通訊的時代,在科學技術(shù)飛速發(fā)展的今天,手機從剛開始的“大哥大”發(fā)展到今天集多種功能于一體的智能手機。智能手機為我們帶來便利的同時也伴隨著頻繁的充電，考慮到人們的現(xiàn)實生活需求,無線充電技術(shù)應(yīng)運而生。

3.1 無線充電技術(shù)的定義

無線充電,即感應(yīng)式充電、非接觸式充電、無線式充電,是不以金屬導線或物理介質(zhì)為載體,通過電磁感應(yīng)、共振、射頻、激光發(fā)射、微波輻射等多種形式,利用空氣這一介質(zhì),將電能以無線的方式傳送出去的新技術(shù)。

3.2 無線充電技術(shù)的原理

無線充電技術(shù)應(yīng)用了電磁感應(yīng)等原理，利用一對線圈來實現(xiàn)無線充電(圖5)。在發(fā)射端(充電器端)和接收端(手機端)各有一個線圈,當充電線圈接入交流電時會產(chǎn)生變化的磁場,受電線圈處于變化的磁場中會產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,由于受電線圈中的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢,進而產(chǎn)生感應(yīng)電流,經(jīng)過整流后的電流就可以為智能手機充電。

圖5

3.3 無線充電技術(shù)的應(yīng)用

無線充電技術(shù)在手機、手表、藍牙耳機、電動牙刷等電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，電動汽車可利用無線充電技術(shù),采用電磁感應(yīng)式和磁場共振式對電動汽車的電池進行充電,汽車的底部在距離地面大約15cm的距離,在停車場的地面下方安裝供電線圈,在車底部安裝受電線圈,就可以進行充電。

4 結(jié)語

通過實驗演示和無線充電技術(shù)的介紹,在物理教學中滲透技術(shù)教育，讓學生體驗實驗探究的過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神,增強其實踐操作能力,提高他們的物理學科核心素養(yǎng)。