對家庭電路演示實驗的研究和改進

李 昂

對家庭電路演示實驗的研究和改進

李 昂

一、實驗創新背景

家庭電路是北京師范大學版九年級物理教科書第十一章第五節內容，主要是研究家庭電路的組成、連接以及各個組成部分的作用。這一節的內容與學生的實際生活聯系緊密，與生活中的用電安全息息相關，學生除需了解家庭電路的連接原則之外，更應理解其中的道理，以提高安全用電意識。

教科書中并未出現關于家庭電路的演示實驗，只是給出了一幅家庭電路的連接圖(如圖1所示)。經過查閱，家庭電路演示實驗的傳統器材是由電能表、開關、保險、燈泡、插座等元件連接而成，并固定于演示板上(如圖2所示)，使用時，火線與零線之間加以220 V交流電壓進行演示。

圖1 教科書的連接圖

圖2 傳統器材

但是，傳統器材也存在著一些不足，如：

(1)傳統器材使用220 V交流電壓，電壓較高，學生操作時存在安全隱患。

(2)電路中各元件均固定在演示板上，無法拆卸、交換位置，學生只能通過觀察了解正確的連接方式，但并不能理解這樣連接的原因，以及錯誤連接方式帶來的問題或危險。

(3)保險絲是隱藏于保險盒蓋內部的，保險絲熔斷時，學生無法及時地觀察到這一現象。

針對以上問題，筆者對傳統器材進行了一些改進，改進內容如下：

(1)用變壓器將220 V交流電轉換為12 V直流安全電壓，教師、學生都可安全操作。

(2)自制保險盒模型，將保險絲外露，便于學生進行觀察，便于教師進行操作。

(3)電能表、閘刀開關、自制保險盒背面固定上螺絲，便于拆裝和交換位置。

(4)連接燈的火線和零線預留接口(如圖3所示)，便于將開關先后接在零線、火線上進行演示；開關選用單刀開關，相對于生活中的拉繩開關，學生更容易觀察到開關的狀態。

圖3

二、實驗創新作品設計與研制

1.家庭電路連接原則

(1)進戶線是家庭電路的電源，進戶線之后依次安裝電能表、閘刀開關、保險盒，然后再連接各用電器。

(2)燈泡的開關接在火線上。

(3)燈泡的螺口與零線相連，燈頭與火線相連。

(4)插座連接原則為“左零右火”，三孔插座需要接地。

2.實驗作品研制

(1)制作材料

本實驗的制作材料容易獲得，大多來自實驗室，而且成本較低、容易購買。

①AC-220V轉DC-12V變壓器，最大電流10.5 A，用于低壓直流輸出。②電能表1個、閘刀開關1個、插座1個。③12 V-18 W節能燈2只，12 V-60 W燈泡1只。④實驗室用單刀開關2個，作為燈泡開關。⑤6～24 V汽車試電筆1支，用于檢測電路。⑥5 cm×15 cm薄木板1塊，螺釘、螺母、墊片、保險絲若干，用于自制保險盒。⑦紅色、藍色、黃綠相間色導線若干，作為火線、零線、地線。⑧尼龍拉帶若干，鱷魚夾若干，用于固定導線、連接導線。⑨75 cm×75 cm薄壓縮板1塊，鐵皮、鐵管若干，用于制作演示板及支架。

(2)主要制作工具

電鉆、老虎鉗、剝線鉗、改錐、扳子、試電筆、刻度尺、剪刀、鋸、電烙鐵、絕緣膠帶。

(3)制作方法

①設計電路、布線。根據各元件的大小、數量設計電路，將設計圖畫在壓縮木板上，并用電鉆沿導線所在路徑間隔10 cm打孔。由于電能表、閘刀開關、電燈開關等電路元件需用螺釘懸掛在演示板上，故在演示板上對應各元件的適當位置打孔。

紅色導線作為火線，藍色導線作為零線，按照線路圖布線，并預留出安裝電能表、閘刀開關、保險絲、電燈、電燈開關、插座等元件的位置。用尼龍拉帶穿過壓縮板的小孔(如圖4所示)，將導線固定在壓縮板上。

圖4

②改裝變壓器。將變壓器的12 V輸出接口剪掉，將兩根導線分別接上鱷魚夾，用電壓表測出變壓器輸出端的正、負極，分別纏上紅色、黑色絕緣膠帶，以便區分(如圖5所示)。

圖5

③改裝電能表、閘刀開關。將電能表、閘刀開關兩端接上適當長度的導線，將線頭剝皮1 cm(如圖6所示)。再將電能表、閘刀開關的背面安裝上螺絲并固定好，用于懸掛。

④自制保險盒。由于家用保險盒是將保險絲置于保險盒蓋內側，所以在演示過程中操作不方便，學生也觀察不到現象。為解決這個問題，本設計采用自制保險盒模型，將保險絲外露，便于操作和觀察。

首先在一塊約6 cm×15 cm薄木板的適當位置上打5個孔，其中上端一個，用于懸掛螺釘；中間位置2個，下端2個，用于制作接線柱。然后將5個螺釘分別穿過每個小孔，用螺母和墊片把每個螺釘牢牢固定在木板上，再分別裝上紅色、黑色的接線柱各2個，最后裝上保險絲和連接用的導線(如圖7所示)。

圖7

⑤改裝2個電燈開關。將單刀開關兩端打孔，分別裝上螺絲用于懸掛。再將每個接線柱接上一小段導線并固定好。兩個開關中，一個安裝紅色導線，用于接在火線上，另一個安裝藍色導線，接在零線上(如圖8所示)。

圖8

⑥安裝兩個燈座，其中一個螺口接零線，并在螺口處纏繞上藍色膠帶以示零線；另一個燈座螺口接火線，在螺口處纏繞紅色膠帶以示火線(如圖9所示)。

圖9

⑦安裝插座。將插座與布好的導線連接，并連接“地線”(實際并不接地，僅做演示)，接地的一端在演示板上畫上接地符號。用螺絲和螺母將插座固定在演示板上。

⑧將電能表、閘刀開關等元件懸掛在線路板上，用鱷魚夾把各部分元件的導線連接起來(如圖10所示)，檢查電路后通電進行調試。

圖10

三、實驗創新作品在教學中的使用

1.實驗教學內容

檢查電路連接，無誤后接通電路，然后進行演示。

(1)演示電燈開關需安裝在火線上。將開關接在零線上，斷開開關，燈不亮，給人們一種燈并不帶電的假象。但是用試電筆測得燈泡裸露在外的螺口部分依然帶電(如圖11a所示)，人一旦不小心觸碰到，就可能觸電。

圖11

將開關改接在火線上，斷開開關，燈不亮。用試電筆測得燈泡的螺口并不帶電(如圖11b所示)，這種連接方法對人是比較安全的。

(2)演示燈泡的螺口應接在零線上。將燈座的螺口與火線相連，閉合開關，燈亮。用試電筆測得燈泡的螺口部分帶電(如圖12a所示)，容易使人觸電。

圖12

將燈座的螺口與零線相連，閉合開關，燈亮。用試電筆測得燈泡螺口部分不帶電(如圖12b所示)，所以將燈座螺口與零線相連比較安全。

(3)演示插座“左零右火”的連接。用試電筆測出插座的接線方法為“左零右火”。

(4)演示保險絲熔斷。實驗中使用保險絲規格為3 A，另配有一只12 V-60 W的燈泡。將燈泡裝上后，閉合開關，燈泡先亮一下，然后突然熄滅。用試電筆按照進戶線、電能表、閘刀開關、保險盒的順序檢查電路，發現電路發生斷路的原因是保險絲熔斷了。查明故障后，可重復實驗一次，并借助實物投影，將保險絲局部放大，幫助學生更好地進行觀察。

(5)演示閘刀開關與保險盒的連接順序。閘刀開關的作用是控制整個家庭電路，保險盒中裝有保險絲，作用是保護電路，保險絲熔斷后需要進行更換。家庭電路中，閘刀開關和保險盒的安裝順序是有要求的。

將保險盒置于閘刀開關之前，將閘刀開關斷開后，雖然各用電器與電源斷開了，但是由于閘刀開關位于保險盒之后，并不能控制保險盒。用試電筆測得保險盒的火線依然帶電(如圖13a所示)，這樣人們在更換保險絲時很可能會觸電。

圖13

將保險盒置于開關之后，開關斷開后，用試電筆測得保險盒中的火線、零線均不帶電(如圖13b所示)，人們在更換保險絲時不會有危險。

(6)演示電能表與閘刀開關的連接順序。盡管閘刀開關是家庭電路的總開關，也不能將之安裝在電能表之前。原因如下：

將閘刀開關置于電能表之前，閘刀開關斷開后，電能表不帶電，所以人們可以將電能表拆下，用導線來代替，用電器雖可以正常工作(如圖14所示)，但這是偷電的行為。若將電能表置于閘刀開關之前，開關斷開后，電能表依然帶電，能夠避免不法分子進行偷電。

圖14

綜上所述，電能表、閘刀開關、保險盒必須按照順序安裝，這樣才能保證人身安全、合法地用電。

(7)演示閘刀開關倒置的錯誤

閘刀開關正確安裝時，閘刀向上推為閉合，向下拉為斷開。將閘刀開關倒置后正好相反，向上推為斷開。斷開后，閘刀可能會由于重力作用而下落，甚至將開關閉合也無法起到斷開電路的作用，從而帶來危險。

(8)演示零線斷路故障

將進戶線的零線斷開，閉合閘刀開關和燈的開關，燈不亮，但是用試電筆測得燈是帶電的，而此時電路中的零線也是帶電的，所以零線并不一定是絕對安全的。

2.教學中使用的效果

在家庭電路一節的教學中，本設計能夠演示較為豐富的內容，無論是最基本的電路連接，還是家庭電路中常遇到的一些問題和故障，學生都可以親眼見到。而本設計不但能夠給學生展示正確的連接方式，還能夠引導學生去思考這些連接原則背后的道理，學生可以通過觀察、思考、討論，更深刻地理解這些知識。

本設計采用了12 V直流電源代替家庭電路的220 V交流電，更加安全，不但教師可以操作，學生也可以親自動手研究，課堂上教師和學生一起動手，一起探討，活躍了課堂氣氛，提高了學生學習的積極性。

3.使用時應注意的問題

(1)教師需向學生說明，本實驗為模擬實驗，是用12 V直流電代替220 V交流電進行實驗。演示板中的線頭、開關都有裸露的金屬，實驗中觸碰雖然安全，但在家庭電路中絕對不能如此操作，容易觸電。另外，在改裝電路時，必須斷開閘刀開關或直接切斷電源，檢查無誤后再通電，以免發生短路等故障。

(2)本實驗用直流電代替交流電，所以實驗電路中并沒有真實的零線、火線。電路中的紅色導線實際連接電源正極，模擬火線，藍色導線連接電源負極，模擬零線。

(3)由于本實驗使用12 V直流電，所以生活中常用的試電筆并不適用。本實驗采用6～24 V直流試電筆，使用時將筆尾的金屬體用導線與電源負極相連即可。

(4)連接電路和進行實驗的過程中，變壓器輸出端的兩個鱷魚夾要分開一定距離，可以夾在絕緣線路板上，以免發生短路。

(5)本實驗的燈泡、節能燈等用電器的額定電壓均為12 V，需另行購買。

四、實驗創新作品展望

在實驗創新作品的研制過程中，困擾筆者最大的問題就是各個元件的組裝與連接。

為了方便交換電能表、閘刀開關、保險盒的位置，筆者在這些元件的背面裝上螺絲，懸掛在線路板預留的小孔上，又先后嘗試用帶插頭的細導線(如圖15所示)和帶鱷魚夾的細導線(如圖16所示)來連接這些元件。這種安裝方法雖然操作方便，但元件會有晃動，細導線接頭的地方也不牢固，時有接觸不良的現象，影響實驗進行。

圖15

圖16

最終，筆者選用不易損壞的硬質粗導線，直接使用鱷魚夾夾住兩根導線的線頭來進行連接(如圖17所示)。這種連接方法解決了導線易損壞的問題，延長了導線的使用時間，不過帶來的問題是：演示實驗的過程中，連接、改裝電路的操作比較煩瑣，學生等待的時間較長。

圖17

縱觀這幾種連接方法，雖然都能夠達到改變元件位置的目的，但實際操作中并不方便。筆者設想，可以將本實驗與面包板相結合，插頭插入面包板，既能起到固定元件的作用，又能起到連接元件的作用。而實驗操作時即插即用，既能夠避免損壞導線，還能在很大程度上縮短改裝電路的時間，從而減少學生的等待時間，提高課堂效率。

2012-02-20

李昂，本科，中教二級。

北京市石景山區實驗中學。