湖北省武漢市楚才中學(430051) 熊建新

1 引言

9年級物理教材中 “家庭電路中電流過大的原因”是與學生生活緊密聯(lián)系的課題,該課題包括3個內(nèi)容:①家用電器總功率對家庭電路的影響;②短路對家庭電路的影響;③保險絲的作用。引導學生從理論上分析家用電器總功率過大、短路對家庭電路干路電流的影響并不困難。教學中可通過圖片、視頻呈現(xiàn)電路過載、短路造成火災的事故,若是再做兩個模擬電路過載、短路引發(fā)火災的實驗,效果更佳。家庭電路即使安裝了空氣開關、漏電保護器,也不能保證萬無一失,空氣開關、漏電保護器也有出故障或失靈的時候。在本節(jié)內(nèi)容教學中加強安全用電、節(jié)約用電教育尤為重要?；谝陨纤伎?筆者自制了一種電學教具,大大提升了教學的有效性。

2 實驗電路圖及實物圖

實驗電路圖如圖1所示,實物圖如圖2所示。

3 制作所需的器材及工具

長方體木板(60 cm×40 cm)1塊,1號電池4節(jié),電池盒4個,開關(帶安裝孔)2個,燈座(帶安裝孔)6個,燈泡(3.8 V 0.3 A)6只,電爐絲(約3Ω)1根,鐵桿或木桿(長約5 cm)2根,鱷魚夾2個,導線若干,螺釘若干,AB膠,雙面膠,起子,電烙鐵,焊錫絲,手電鉆,鉆頭(直徑5 mm),鉛筆,刻度尺等。

4 制作方法

(1)根據(jù)實驗電路圖,在木板上適當?shù)奈恢米錾弦惭b元件的記號。

(2)在A、B處(間距約3cm)鉆2個直徑為5 mm(比鐵桿或木桿外徑略大)的小孔,插入鐵桿或木桿,用AB膠粘牢,2根鐵桿上分別插入鱷魚夾。

(3)根據(jù)電路圖安裝固定其他電路元件,電池盒用雙面膠粘在木板上,開關和燈座用螺釘固定。

(4)用導線連接(或焊接)各元件。

5 主要過程設計

5.1 用自制教具演示及分析電路短路現(xiàn)象

師(導入新課):播放家庭電路過載、短路造成火災的視頻。

師:展示教具,用PPT出示電路圖。

師(演示):在電爐絲上插上火柴頭,火柴梗向上,閉合開關S1(斷開開關S2)。

生:觀察、描述實驗現(xiàn)象(燈泡發(fā)光耀眼,火柴頭未被引燃,如圖3所示。

師:閉合開關S2,可能會有什么現(xiàn)象?下面進行演示。

生:觀察、描述現(xiàn)象(閉合開關S2后,過一會兒先觀察到電路冒煙,然后聽到噗呲一聲,火柴燃燒起來,如圖4所示。

師:火柴頭被引燃,火柴燃燒的原因是什么?

圖3 實驗現(xiàn)象

圖4 實驗現(xiàn)象

生(討論回答):閉合開關S2,燈泡被短路,電路R總減小,根據(jù)歐姆定律I＝U/R總,干路電流I增大,根據(jù)焦耳定律Q＝I2Rt,電爐絲產(chǎn)生的熱量迅速增大,達到火柴頭著火點,使其燃燒起來。

5.2 分析短路對家庭電路的影響

師:用PPT出示簡化家庭電路圖,如圖5所示(未畫出電能表及空氣開關)。

圖5 簡化家庭電路圖

教師用PPT出示討論問題:

(1)家庭電路若用電器短路,對干路電流有什么影響?

(2)家庭電路如果沒裝空氣開關,發(fā)生短路會有什么危害?

(3)家庭電路裝了空氣開關,就絕對安全嗎?

(4)哪些情況會發(fā)生短路?

(5)怎樣防止發(fā)生短路?

學生討論回答:

(1)干路電流過大。

(2)損害用電器和電路,引起火災。

(3)不是絕對安全,也有出故障或失靈的時候。

(4)導線絕緣皮被刮破、烤焦、破損、老化使火線和零線連通;檢修時不小心使火線和零線連通;用電器進水等。

(5)導線絕緣皮被刮破、烤焦、破損、老化要及時更換;防止用電器進水。使用年限久的用電器要及時更換。

教師用PPT出示導線絕緣皮被烤焦、破損、老化的圖片。

5.3 用自制教具演示及分析電路同時使用的用電器過多產(chǎn)生的現(xiàn)象

師(演示):在電爐絲上插上火柴頭,火柴梗向上,閉合開關S1,斷開關S2。

生:觀察、描述現(xiàn)象(燈泡發(fā)光耀眼,火柴頭未被引燃)。

師:將5個并聯(lián)的燈泡與C、D間的燈泡并聯(lián),再閉合開關S1,可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象?

師(演示):斷開開關S1,將5個并聯(lián)的燈泡用2個兩端是鱷魚夾的導線與C、D間的燈泡并聯(lián),再閉合開關S1。

生:觀察、描述現(xiàn)象(閉合開關S1后,過一會兒先看到電路冒煙,然后聽到噗呲一聲,火柴燃燒起來,如圖6所示。

圖6 實驗現(xiàn)象

師:火柴頭被引燃,火柴燃燒的原因是什么?

生(討論回答):5個并聯(lián)的燈泡與C、D間的燈泡并聯(lián),R用電器總減小,電路R總減小,干路電流I增大,根據(jù)焦耳定律Q＝I2Rt,電爐絲產(chǎn)生的熱量增大,達到火柴頭的著火點,使其燃燒起來。

5.4 分析同時使用的用電器總功率過大對家庭電路的影響

師:用PPT出示簡化家庭電路圖,如圖5所示(未畫出電能表及空氣開關)。

教師用PPT出示討論問題:

(1)家庭電路同時使用的用電器總功率過大,對干路電流有什么影響?為什么?

(2)家庭電路沒裝空氣開關,同時使用的用電器總功率過大,有什么危害?

(3)裝了空氣開關也不是絕對安全,怎樣才能防止用電器總功率過大?

(4)過多的用電器插在同一插座上,安全嗎?為什么?

學生討論回答:

(1)分析1:R用電器總減小,電路R總減小,I干增大。

分析2:I干＝P總/U,U＝220 V,是一定的,P總增大,I干增大。

(2)損壞電路,甚至引起火災。

(3)避免同時使用過多的用電器或同時使用多個大功率(如空調(diào)、微波爐)的用電器。

(4)不安全。插座電源線電流會過大,電源線過熱,絕緣皮可能燃燒,引起火災。

教師補充:即使空氣開關正常,如果存在電線線徑偏細、電線絕緣層老化、接頭接觸不良等情況,在同時使用的用電器總功率偏大時,可能在空氣開關切斷電路之前,電路已起火。

圖7 實驗現(xiàn)象

圖8 實驗現(xiàn)象

5.5 保險絲的作用

師:為了防止電路中電流過大,發(fā)生危險,在老式的家庭電路中安裝保險絲,在一些儀器儀表(如學生電源)中安裝保險管(里面有保險絲)。

教師用PPT出示思考題:

(1)保險絲的作用是什么?

(2)制作材料是什么?

(3)保險絲在什么情況下正常工作,在什么情況下熔斷?

生:閱讀教材了解保險絲的作用,回答問題。

師:投影保險管上標的額定電流到電子白板上,解釋額定電流相關知識。

教師演示保險管中保險絲熔斷。

擰下C、D間的燈泡,用粗銅絲連接,C、D,在A、B間接入額定電流1 A的保險管,在S1和B之間接入 “20Ω2 A”的滑動變阻器 (滑片置于最大阻值處),閉合開關S1,慢慢調(diào)小滑動變阻器接入的阻值。

生:觀察、描述現(xiàn)象(滑動變阻器接入的阻值接近零時,保險絲變紅,隨即熔斷,粗銅絲沒有明顯變化,如圖7、圖8所示)。

師:為了用電安全,禁止用銅絲、鐵絲等熔點高的導線代替保險絲。

5.6 學以致用

教師用PPT出示討論問題:

(1)家庭電路用電器總功率增大,從安全角度考慮,干路上的導線應該換粗的還是細的?為什么?

(2)家庭電路用電器總功率增大,對電能表有什么新要求?

學生討論回答:

(1)導線應該換粗的,導線的材料、長度一定,較粗的導線電阻較小,根據(jù)焦耳定律可知產(chǎn)生的熱量較少,更安全。

(2)I干增大,電能表應換標定電流更大的。

6 教具的優(yōu)點

(1)電路簡單,材料易得,制作容易。

(2)能完成多個演示實驗,一具多用。

(3)操作簡便,現(xiàn)象明顯,火柴燃燒給學生印象深刻,實驗時間短(火柴在1 min內(nèi)燃燒)。

(4)電源電壓只有6 V,實驗安全。

(5)電爐絲不會熔斷,可重復使用。

7 自制教具提升教學有效性的體現(xiàn)

(1)利用自制教具展示真實實驗電路,吸引了學生的注意力,激發(fā)了學生的探究興趣,為教學創(chuàng)造了良好的開端。

(2)讓學生預測、觀察描述、分析實驗現(xiàn)象,調(diào)動了學生的學習積極性,培養(yǎng)了學生綜合應用所學知識(電阻的串并聯(lián)、歐姆定律、電功率、焦耳定律等)分析與解決問題的能力。

(3)火柴燃燒給學生留下了深刻印象,學生牢記電路過載和短路時是極其危險的,增強了學生安全用電、節(jié)約用電的觀念。