宏觀把握教材 突破“短路”難點(diǎn)

(江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)運(yùn)西中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225128)

電學(xué)中的短路現(xiàn)象是初中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)，由于它的存在使得電路千變?nèi)f化，電學(xué)試題也更加豐富多彩.但也因此增加了學(xué)生分析電路的難度.如何幫助學(xué)生突破這一難點(diǎn)，樹立學(xué)好電學(xué)的信心，是每一位物理老師不可規(guī)避的課題.心理學(xué)研究表明，人對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)必須經(jīng)歷由現(xiàn)象到本質(zhì)，由感性到理性，由低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程.因此，對(duì)短路難點(diǎn)的突破，也應(yīng)遵循這一規(guī)律，采取逐步滲透、由易到難、分步瓦解的策略.切不可追求一步到位、一蹴而就.

1 牛刀小試，初步感知短路危害

蘇科版九年級(jí)物理教材第十三章第一節(jié)《初識(shí)家用電器和電路》是學(xué)生第一次正式學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí).本節(jié)要求學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立連接一個(gè)完整的簡(jiǎn)單電路，教材明確提出“不允許以任何方式用導(dǎo)線將電源的正負(fù)兩極直接相連，以免造成電源短路.”為了讓學(xué)生切身體會(huì)到電源短路的危害，養(yǎng)成良好的做電學(xué)實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣，可以設(shè)計(jì)以下兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)：

學(xué)生實(shí)驗(yàn)1

每一位學(xué)生用一根細(xì)銅絲直接連接一節(jié)新干電池的正負(fù)兩極，感受細(xì)銅絲和電池發(fā)熱(提醒學(xué)生如果感到燙手就立即斷開電路).教師適時(shí)解釋：短路造成電路中電流較大，使導(dǎo)線和電池溫度升高，如果溫度達(dá)到導(dǎo)線或電池外面絕緣材料的著火點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生燃燒.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)2

每一組學(xué)生先連接成如圖1所示電路，再把一根導(dǎo)線的兩端分別連接在燈座的兩個(gè)接線柱上，短暫閉合開關(guān)，觀察小燈泡是否發(fā)光.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生知道短路會(huì)造成用電器不能正常工作.

圖1

2 溫故知新，了解短路的兩種類型

短路可分為電源短路和用電器短路兩種類型.電源短路會(huì)造成導(dǎo)線和電源燒壞，所有用電器不能正常工作.用電器短路，造成被短路的用電器不能正常工作.為了幫助學(xué)生正確區(qū)分這兩種類型的短路，在學(xué)習(xí)了電路的串并聯(lián)知識(shí)之后，可以設(shè)計(jì)以下兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)：

學(xué)生實(shí)驗(yàn)3

圖2

首先連接成如圖2所示的串聯(lián)電路，再用一根導(dǎo)線分別與燈泡L1、L2并聯(lián)，閉合開關(guān)觀察兩個(gè)燈泡的發(fā)光情況.最后將導(dǎo)線與電源并聯(lián)，短暫閉合開關(guān)，觀察兩個(gè)燈泡的發(fā)光情況.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)4

圖3

首先連接成如圖3所示的并聯(lián)電路，再用一根導(dǎo)線與燈泡并聯(lián)，短暫閉合開關(guān)，觀察兩個(gè)燈泡的發(fā)光情況.

通過(guò)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生知道，串聯(lián)電路中如果部分用電器短路，其它用電器仍可以工作.而并聯(lián)電路中如果使某條支路短路，會(huì)造成整個(gè)電路短路(電源短路)是絕對(duì)不允許的.

3 三顧茅廬，熟識(shí)電流表造成的短路

由于電流表的內(nèi)阻很小，如中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中電流表的量程為0—0.6A時(shí)，內(nèi)阻約為0.1Ω，如果與用電器并聯(lián)，作用相當(dāng)于導(dǎo)線，也會(huì)造成電路短路.電流表的使用規(guī)則明確要求“電流表必須與被測(cè)電路串聯(lián)(不能并聯(lián))”為了引導(dǎo)學(xué)生理解這樣規(guī)定的道理，可以設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)：

學(xué)生實(shí)驗(yàn)5

圖4

連接成如圖4所示的電路，閉合開關(guān)觀察兩個(gè)燈泡的發(fā)光情況和電流表指針的偏轉(zhuǎn)情況.(與電流表并聯(lián)的燈泡不發(fā)光，另一燈泡發(fā)光變亮，電流表可正常讀數(shù).)

這樣不僅幫助學(xué)生深刻理解了電流表的使用規(guī)則，同時(shí)豐富了學(xué)生對(duì)短路現(xiàn)象的認(rèn)識(shí).在分析電路時(shí)可以將電流表當(dāng)成導(dǎo)線，以簡(jiǎn)化電路.

4 由表及里，理解短路的原理

圖5

學(xué)習(xí)了電阻的概念和歐姆定律之后，可以利用如圖5所示的電路(局部)幫助學(xué)生理解短路的原理.可以把導(dǎo)線看成是一個(gè)阻值很小的電阻R線(在20℃時(shí)，銅的電阻率為1.75×10-8Ω·m)，當(dāng)它與電阻R0并聯(lián)時(shí)，因?yàn)閁0=U線，所以I0/I線=R線/R0，又由于R線遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R0，所以I0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于I線.即此時(shí)通過(guò)電阻R0的電流非常小(通常可忽略不計(jì))，電流幾乎全部從導(dǎo)線通過(guò)，所以用電器不能工作.而此時(shí)R0與R線并聯(lián)的總電阻很小，為R0R線/(R0+R線)，所以電路兩端電壓一定時(shí)，干路中的電流會(huì)很大，容易燒壞電源和導(dǎo)線.

5 知行合一，預(yù)防家庭電路中的短路

家庭電路中由于短路造成干路電流過(guò)大，導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷，是常見電路故障之一.在學(xué)習(xí)這部分知識(shí)時(shí)，可以利用如圖6所示的保險(xiǎn)絲作用演示器，來(lái)演示短路的危害及保險(xiǎn)絲的作用：

圖6

教師演示1

先用一根銅絲替代保險(xiǎn)絲接在干路上的C、D兩點(diǎn)之間，再用一根導(dǎo)線連接B、D(造成電源短路)，很快將觀察到干路上A、B之間的導(dǎo)線起火冒煙(A、B接的是帶絕緣皮的鐵絲)，替代保險(xiǎn)絲的銅絲沒(méi)有熔斷.

教師演示2

在剛才銅絲的位置改接一根額定電流為5A的保險(xiǎn)絲，重復(fù)上述操作，將觀察到通電一段時(shí)間后，保險(xiǎn)絲熔斷，導(dǎo)線未起火燃燒.

保險(xiǎn)絲是用電阻率大、熔點(diǎn)低的鉛銻合金材料制成的.由于電流的熱效應(yīng)，當(dāng)電路中的電流超過(guò)一定限度，保險(xiǎn)絲的溫度很快達(dá)到它的熔點(diǎn)，先于導(dǎo)線熔斷，電路就會(huì)被自動(dòng)切斷，保證了電路的安全.現(xiàn)在常用的空氣開關(guān)，是利用電流的磁效應(yīng)來(lái)工作的，與保險(xiǎn)絲的功能是相同的，但避免了更換保險(xiǎn)絲的麻煩.

6 趨利避害，正確利用短路

短路盡管有諸多危害，但如果利用得當(dāng)，也能為人類造福.

應(yīng)用1

家庭中使用的有金屬外殼的用電器，一般都有接地保護(hù)，其實(shí)就是利用了短路.如果家用電器的內(nèi)部導(dǎo)線絕緣皮破損或失去絕緣性，導(dǎo)致火線與外殼接通，使外殼帶電.此時(shí)如果人接觸到帶電外殼，人將與接地線并聯(lián)，且都與大地相連.接地線將人體短路(人體可看做是一個(gè)較大的電阻)，只有極小的電流通過(guò)人體，保障了人身安全.

應(yīng)用2

具有多擋位的用電器，一般都是利用某個(gè)電阻絲的短路，如電飯鍋、電炒鍋、電熱毯等.如圖7所示是某型號(hào)電飯鍋的原理圖，它有高溫?zé)蠛蜖F飯保溫兩個(gè)擋位.當(dāng)開關(guān)S在“1”擋時(shí)，R0與R串聯(lián)接入電路，此時(shí)電路的總電阻較大，電路的總功率較小，電飯鍋處于燜飯保溫狀態(tài).當(dāng)開關(guān)S在“2”擋時(shí)，只有R0接入電路(R被短路)，電路的總電阻減小，總功率增大，電飯鍋處于高溫?zé)鬆顟B(tài).

圖7

應(yīng)用3

圖8

利用局部短路控制用電器的工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警.如圖8所示是汽車上“安全帶指示燈”電路原理圖.當(dāng)安全帶未系好時(shí)，相當(dāng)于斷開開關(guān)，指示燈發(fā)光報(bào)警.當(dāng)安全帶系好時(shí)，相當(dāng)于閉合開關(guān)S，指示燈被短路，燈不亮.還有“車門關(guān)閉報(bào)警燈”、“自動(dòng)防盜報(bào)警電路”等，都是利用了與上述原理.

在教學(xué)過(guò)程中，教師要有意識(shí)的為學(xué)生“搭梯子”、“搬凳子”，幫助學(xué)生降低認(rèn)知的難度.相信經(jīng)過(guò)上述這六個(gè)步驟，對(duì)短路難點(diǎn)的逐步分化與瓦解之后，學(xué)生不但能輕松理解這一電學(xué)現(xiàn)象，還能深刻感受到物理是有用的，學(xué)習(xí)物理是快樂(lè)有趣的.

[1]劉炳昇，李容.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理9年級(jí)上冊(cè)[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2013：110.

[2]劉炳昇，仲扣莊.中學(xué)物理教師專業(yè)技能訓(xùn)練[M].北京：高等教育出版社，2004:95.

[3]王興乃，羅棟國(guó).教學(xué)儀器維修大全(第一冊(cè))[M].北京：電子工業(yè)出版社，1993：625.