對《電源和電流》演示實驗的一些思考和改進

孫建華

【中圖分類號】G633.7 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）01-0170-02

人教版物理選修3-1第二章第一節《電源和電流》，本節內容主要交代了電源的作用和恒定電流的產生。電源對學生來說是一個既熟悉又陌生的電學原件，說熟悉，是因為我們隨處可見，隨處在用;說陌生，它的工作機制到底是怎么樣的，大家都不太清楚。我們都熟知，有電源才會有電流，沒有電源就沒有電流。為什么是這樣？我們首先要搞清楚它在電路中到底充當了一個什么樣的角色，為什么可以使得電路中產生恒定電流。

電源是可以實實在在看見的，但是它的供電原理我們看不見;電的現象可以看見，但電流又是不可見的。如何將抽象的、看不見的、不容易理解的東西轉化成形象的、可見的、容易接受的東西，這個過程就需要教師對教材的細化和轉化，充分挖掘利用教材。下面筆者就談幾點對本節實驗的思考和改進。為了節省筆墨，課本中的實驗和例題不再贅述。

一、電源引入的演示實驗改進

課本中電源的引入是舉生活中的實例，對比燈泡持續發光和閃電的短暫放電。對此可做以下改進：

所需要的儀器有：電容器（額定電壓大于2V），干電池，小燈泡（或者發光二極管），開關、導線若干。用這些儀器可以對比演示三個實驗現象：（1）只將開關和燈泡用導線接通，閉合開關，燈泡不亮;（2）用干電池給電容器充電后將電容器和燈泡、開關用導線連接，閉合開關，燈泡能發光，但很快會熄滅;（3）將干電池、燈泡、開關用導線接通，閉合開關，燈泡可以持續發光。三個實驗對比，電路中無電流，電路中有短暫電流，電路中有持續電流，現象很明顯，對比現象不同的原因關鍵就在干電池，說明干電池的存在能使電路中有持續的電流。干電池就是生活中常見的電源。

二、電源作用的演示實驗改進

從初中開始學習電流，教材中就將電流和水流做對比來幫助學生理解電流。電流和水流確實有許多相似之處，本節中為了說明電源的作用，用抽水機和電源進行了對比，來說明電源存在的作用，盡管效果不錯，但還是有一定的缺陷。比如水從抽水機流到水管口需要一定的時間，而我們開燈瞬間燈就亮了，無需等待，和電流特點不符。另外，也看不到電源的外觀原理。現改進如下：用乒乓球20個，水槽兩個（內墊毛巾）。請5-6個學生上臺幫忙做演示，讓學生站成一個半圓，每個學生手中拿一個乒乓球，其余的乒乓球放在一個水槽中。學生充當導線，乒乓球充當自由電子，兩個水槽分別充當電容器的兩個極板，再請一個同學站在半圓中間充當燈泡。要求如下：靠近裝有乒乓球的水槽的同學負責把水槽中的乒乓球依次傳遞出去，每個學生都要行動起來，向同一方向傳出手中的乒乓球;因為電路中不管有沒有電流，導線中都有自由電子，自由電子數目不會增減，所以要保證每個同學在傳遞過程中，手中始終有且只有一個乒乓球。只要有乒乓球的傳遞就說明電路中有電流，只要有電流燈泡就能夠發光，要求站在中間的同學在燈泡發光的時候把手舉起來示意。當水槽中的乒乓球傳完了，傳遞過程就結束了，就相當于電容器放電結束，電路中沒有電流，演示結束。提出問題：允許增加演示人數，如何保證電路中始終有電流讓燈泡持續發光？辦法就是再增加一到兩個同學，負責將傳遞到空水槽中的乒乓球再源源不斷地搬回到原來的水槽中，這樣就可以使得乒乓球被無止境地傳遞，電路中始就終有電流。后面增加的兩個同學實際上就充當了電源的作用：將正極的自由電子源源不斷地搬運到負極。

三、關于電流定義的提出

這里可以先提出車流量的定義：用駛過某一路口的車輛數除以計數時間就表示車流量，也就是單位時間內的車輛數。同樣，電流定義和車流定義相似，即流過導體橫截面的電荷量與所用時間的比值，也就是單位時間內流過導體橫截面的電荷量。這樣比較，得到電流的定義就是水到渠成的。

四、課本例題的改進和應用

課本例題較復雜，做如下改動：一段橫截面積為1mm2的銅導線，通過的電流為1A。已知銅導線中單位體積內的銅原子個數為8.3×1028個，電子的電荷量為e=-1.6×10-19C，可以認為每個銅原子貢獻一個自由電子。求自由電子定向移動速率。結果為v=7.5×10-5m/s。讓學生通過計算感受這個速度是非常小的，這與我們平常感受到的電流的傳輸速度是不相符的，問題的設置為后面的內容留下伏筆。

五、課堂總結和效果說明

1.本節課的知識理論性比較強，相對來說學生動手的機會比較少，所以要多給學生創造動的機會，提高學生的參與度，對激發學生的學習興趣會有好處。相對于水流比較，用乒乓球代替自由電子更形象、直觀，從微觀層面說明了電源和電流的特點;而且使部分學生可以參與到活動中來，不僅可以觀察現象，還能自己動手。學生參與度高，提高了學生興趣。

2.傳遞乒乓球過程中，只要命令下達，每個同學都開始動，凡是在手中的乒乓球都開始被傳遞。這個演示可以清楚地說明一個問題：因為導體中始終有自由電子，凡是電場傳遞到的位置，自由電子就在電場作用下定向移動;所以開關一旦閉合，無需等待電流就可以傳遞到各處，說明電流的傳輸速度不是自由電子的定向移動速度，而是電場的傳輸速度，即光速。