“交變電流”演示實驗的改進與創新

劉煥奇

(江蘇省太倉高級中學,江蘇 太倉 215411)

交變電流是生產生活常見到的電流,交變電流是電磁感應知識的應用和提高,交變電流一節內容是“交流電”一章理論知識的基礎,與之相對應的交流發電機演示實驗是掌握學習交變電流的基石．按照新課改理念,“交變電流”一節最好采用探究式教學的方式來完成,即要學生通過獨立思考和小組合作,自主設計實驗,并按設計的方案進行探究,深入體驗交變電流生成的真實過程．鑒于此筆者對“交流發電機演示實驗”進行了如下的改進和創新．

1 教材原有經典實驗的局限

1.1 交變電流波形的缺陷

圖1

人教版經典的手搖交流發電機模型如圖1所示,搖動手柄,發電機即可發電,白熾燈泡發光變亮．然后通過連接示波器測出其電流-時間變化的波形,發現瞬時電流隨時間做周期性變化,但是我們還不難發現該示波器的波形與理想的“正弦交流電”有一定的差距,其邊沿為相對圓滑的不太規則的鋸齒波,具體如圖2所示．究其原因:主要是蹄形磁鐵間的磁場不是真正的勻強磁場造成的．

圖2

1.2 課堂上使用時缺憾

按照新課改理念,采用探究式教學來操作本實驗時,發現本裝置在課堂教學中還存在以下幾點不方便之處:其一線圈面積小,匝數多,又被磁鐵框架遮擋,學生看不清楚內部結構,無法形成強烈的視覺沖擊,從而造成對交變電流的形成原理的深入理解存在著一定的困難,學生仍然感覺比較抽象;其二傳送皮帶的帶動作用使線圈轉速遠遠大于手柄搖動轉速,線圈轉速太快,頻率過大,學生不能同步跟蹤交變電流的形成過程; 其三是交流發動機整機固定成型,不便拆卸安裝,不利于應用“探究式教學”進行自主設計,分層組建和科學探究．

2 自制的交流電發電機演示儀

2.1 自制交流發電機的原理

讓閉合大線圈在勻強磁場中轉動,線圈的轉軸垂直于勻強磁場方向,勻強磁場用微元思想借用地磁場,電流表用微電流傳感器通過DIS系統反應在屏幕上．

2.2 自制交流發電機的主要結構

圖3

線圈采用直徑為4mm的銅導線制作長40cm、寬60cm、匝數為4匝的矩形線框,4個角分別用書帖標明ABCD,中間用一根光滑的圓柱形長桿作為轉軸,將它們架在兩鐵架臺的中間,用一有箭頭的導線表示勻強磁場的方向．線框通過微電流傳感器連接在DIS系統中．用手輕輕轉動轉軸,即可產生交變流電．實物結構如圖3所示．自制交流發電機原理圖如4所示.

圖4

2.3 本實驗裝置的創新之處

(1) 由于線圈的變大,形成強烈的視覺和空間沖擊,在大腦中形成深刻印象,學生置身其中,身臨其境,通過實際操作,感知到中性面的具體位置,觸摸到導線切割磁感線與平行磁感線的情形．

(2) 做大做粗了線圈,用大面積換取小的角速度,再用DIS微電流傳感器同步動態輸出真實電流,直觀形象地呈現出隨著線圈角速度的增加,交流電瞬時值同步變大的過程,直接讀懂交變電流的周期和頻率的實際意義．

(3) 充分利用時空,合理利用地磁場,主動運用“微元思想”生成勻強磁場,實驗裝置簡單明了,實驗效果明顯,波形非常貼近理想正弦交流電．

(4) 儀器取材方便,貼近學生生活實際,學生很容易想到,安裝靈活方便,也很容易做到(共4匝線圈)．有很好的親和力,方便學生進行實驗原理的自主設計,符合探究式教學的具體要求．

3 使用自制交流發電機進行科學探究的步驟方法

3.1 運用電磁感應知識,創新設計實驗原理

教學片段.

老師: 同學們我們已經認識了交變電流．現有自制大線圈,老師借給你講臺空間,還有一微電流傳感器,你能設計出電路發電嗎?請小組自主設計討論．

學生:借助地球磁場:讓閉合線框在磁場中轉動,使通過線框的磁通量發生周期性改變．

老師:同學們做一猜想,閉合線框產生的電流是交流還是直流?請給出理由．

學生:隨著線框轉動,由于穿過閉合線框的磁通量不斷周期性的增加和減少,引起導線中電流的大小、方向都在周期性變化，故我們認為此電流是交變電流．

設計思想： 源自生活,返璞歸真,以簡致勝,借地球磁場構建綠色情景,通過微電流傳感器,讓學生創新設計真實的發電實驗．

3.2 小組配合安裝實驗儀器,操作生成交變電流

教學片段.

老師:現在請兩名學生到前面安裝實驗器材和電路并操作,我們拭目以待．

學生:安裝圖4產生交變電流的裝置并連接電流傳感器形成閉合回路,通過配合操作得出微電流時間變化圖像,如圖5所示．

圖5

老師:由圖5我們可以讀出哪些現象,分析得出什么規律?(小組討論)

學生:第一點,我們由電流變化的規律性讀出線圈轉動的重復性,線圈轉動一周就是一個周期．而且周期越小,轉速越快,電流最大值越大．由于手轉動線圈的非勻速造成了周期大小的變化和最大電流值的變化．

第二點,電流在最大值附近有發生突變現象．這兩點與剛才我們看到的生活用的交變電流存在著差異．

老師:我們不妨做一分析,是什么原因造成我們發出的交變電流與生活中的交變電流存在差異?

學生甲:轉動角速度發生變化．

學生乙:地磁場非勻強磁場．

老師:很好,假如我們做出這樣的改進,保持轉動角速度ω不變,在剛才的空間區域加上勻強磁場B,用4匝邊長分別為LAB、LAD的矩形線圈在其中按照剛才的模式轉動起來,會產生什么樣的交變電流呢?

設計思想： 學生自主操作、自主發現,篩選出地磁和轉速兩大問題,動態生成構建理想交流發電機模型．

3.3 由“一般到特殊”,由“三維到二維”進行科學思維探究

教學片段.

老師:對于線圈在三維立體空間中轉動,我們若要把它畫在白板上進行電磁感應研究,我們該做怎樣的取舍來才能準確地畫出電流方向、線圈運動方向,便于我們分析?

學生:畫出截面圖(降維處理).

老師:對于線圈的連續不斷的轉動過程,我們要分析線圈中感應電動勢的變化規律,該遵循什么樣的研究規律?

學生:遵循從一般到特殊的研究規律,即先選出幾個有代表性的特殊位置．

師生共同探究分析4個位置情況,得到相應的電壓、電流等規律結論…

設計思想： 聚焦交流發動機4個典型狀態,鼓勵學生的亮點思維,完成三維變二維的空間降維轉換,培養學生空間想象能力和思維創新能力．

3.4 由實驗到理論,完成科學探究全過程

教學片段.

老師:同學們,你們覺得研究交變電流的變化規律,僅僅研究這4個位置的變化情況,足夠說明問題嗎?若不夠,還該做怎樣的研究?

學生:我認為不夠,我們應該再選一個代表任意位置的一般性的點作為研究對象,研究出它的變化特征,才能代表普遍性規律,具有說服力．

老師:很好,下面我們任選一個位置,同學們根據已知物理量來推導其電動勢大小隨時間變化規律……．

最后,在推導出正弦交變電流的瞬時表達式之后,讓學生根據函數方程到白板上畫出交變電流的圖像．與實驗得到的圖像相吻合．

設計思想： 科學疏導,捕捉時機,由定性到定量,從靜態到動態,誘發學生掌握由特殊情形過渡到一般函數方程的嚴密數學推理過程,全面感知交變電流．

以上是對交流發電機創新實驗應用的部分教學片段．從學生課后檢測數據獲知,該實驗在教學各方面基本上都優于經典手搖發電機的課堂應用,特別體現在以問題為引領、探究為主線、以發展學生科學思維為目標的教學方面表現尤為突出,經課堂上反復嘗試應用,效果特別理想．