自制正弦式交變電流有效值演示儀

摘 要：本文將一款自制正弦式交變電流有效值演示儀引入課堂，其能夠讓學生直觀地看到正弦式交變電流的有效值大小，理解I＝I_m2成立的原因及適用條件。該裝置結構簡單、操作容易、效果明顯，有利于培養(yǎng)學生判斷推理、質疑創(chuàng)新的科學思維，鍛煉其實驗探究的能力，具有創(chuàng)新性和實用性。

關鍵詞：正弦式交變電流；等效法；微元法；實驗教學

1 引言

人教版物理選擇性必修第二冊第三章中給出了交變電流有效值的定義：讓交變電流與恒定電流分別通過大小相同的電阻，如果在交變電流的一個周期內它們產(chǎn)生的熱量相等，而這個恒定電流的電流與電壓分別為I、U，我們就把I、U叫作這一交變電流的有效值。根據(jù)這一定義，學生能夠通過計算得到圖1中交變電流的有效值，但對于如圖2所示的正弦式交變電流，學生并不能求出電流流經(jīng)電阻產(chǎn)生的具體熱量，教材對其有效值的推導用“理論計算表明”一句話帶過，直接給出了結論及其適用條件。學生不清楚推導過程，導致對這一結論成立的必然性和適用范圍存有質疑，不利于自身科學思維能力的養(yǎng)成，也使得學生后續(xù)對這一結論的理解和應用變得更加困難。

《普通高中物理課程標準（2017年版 2020年修訂）》指出，要能對已有觀點提出質疑，從不同角度思考物理問題；能采用不同方式分析解決物理問題。［1］基于此，已有學者從實驗的角度來嘗試解決這一問題。但在測產(chǎn)熱量的過程中，所用器材繁多，物理量不好控制。筆者從實踐與思維、動手與動腦相互聯(lián)系的觀點出發(fā)，［2］制作了一款不需要測產(chǎn)熱量但能直觀演示電流有效值的實驗裝置，該裝置在教學中取得了很好的效果。

2 實驗原理

3 實驗器材與實驗過程

3.1 實驗器材及制作方法

以正弦式交變電流i＝4sinωt為例，用激光切割出i2＝16sin2ωt圖像形狀的亞克力窄條。將窄條置于前后兩塊亞克力面板間，密接粘牢，做成i2-t圖像形狀的水槽。用兩塊亞克力板作為側板，在左側板的中部開一個注水孔（見圖5）。

上、下加兩塊底板固定后，將函數(shù)圖像及刻度印在透明亞克力板的前表面，體現(xiàn)圖像變換過程。制成后的正弦式交變電流有效值演示儀如圖6所示。用橡膠塞封住注水孔后，i2-t圖像形狀的注水槽上方形成封閉的中空區(qū)域。右圖為局部放大后的圖片。

3.2 實驗過程

第一步，用注射器通過注水孔向i2＝16sin2ωt圖像形狀的槽內注水，至液面與其上方橫軸齊平。為方便觀察，可在清水中滴入適量紅墨水。

第二步，塞上橡膠塞，待液面穩(wěn)定后將裝置在豎直面內翻轉180°，水會自動流入面板中空區(qū)域的另一側，形成矩形水域。翻轉前后的水域形狀變化如圖7所示。

利用該演示儀進行正弦式交變電流有效值的實驗教學主要環(huán)節(jié)可用圖8來表示。

4 教具優(yōu)點

電流的產(chǎn)熱量，而是用i2-t圖像與橫軸圍成的面積表示產(chǎn)熱量，體現(xiàn)了“微元法”的物理思想；兩部分的面積相等，這是物理過程的等效。在解決物理問題時，我們常需運用多種方法，這些方法雖路徑各異，但所得結果及其物理意義卻是相同的，這些方法和手段在本質上是等效的，這種思維方式我們稱之為等效研究方法。［3］本器材的創(chuàng)新之處在于，它在前后面板間設計了中空區(qū)域，巧妙地利用了水的流動性，將抽象的圖形面積相等轉化為了直觀的“水域面積相等”，從而使該實驗具有可操作性，這正是等效研究方法在實踐中的生動應用。

5 結語

從發(fā)現(xiàn)問題到分析問題，最終到解決問題，教師引導學生緊扣概念，深度思考，從多個角度分析問題，層層遞進，深刻地體現(xiàn)了教師對學生物理思維的培養(yǎng)。基于在教學過程中遇到的真實問題，本文提出了這樣具有創(chuàng)新性的實驗方案。經(jīng)過充分論證后，我們選取了合適的材料來制作儀器，并引導學生仔細觀察和分析實驗現(xiàn)象，最終使學生得出實驗結論。這一過程讓學生完整地經(jīng)歷了科學探究的各個環(huán)節(jié)。在利用該器材進行實驗教學的過程中，我們不僅幫助學生實現(xiàn)了知識水平的顯著提升，還讓學生深刻體會到了科學的研究方法，這有助于他們養(yǎng)成良好的科學思維習慣，并顯著增強他們的創(chuàng)新意識和實踐能力。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：79.

［2］郭玉英，蘇明義.新版課程標準解析與教學指導：高中物理［M］.北京：北京師范大學出版社，2023：294.

［3］史獻計，徐銳.用等效法解決物理問題的策略［J］.教學月刊（中學版）， 2009（8）： 20-22.