摘 要：本文將一款自制正弦式交變電流有效值演示儀引入課堂，其能夠讓學(xué)生直觀地看到正弦式交變電流的有效值大小，理解I＝I_m2成立的原因及適用條件。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、效果明顯，有利于培養(yǎng)學(xué)生判斷推理、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維，鍛煉其實(shí)驗(yàn)探究的能力，具有創(chuàng)新性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：正弦式交變電流；等效法；微元法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 引言

人教版物理選擇性必修第二冊(cè)第三章中給出了交變電流有效值的定義：讓交變電流與恒定電流分別通過(guò)大小相同的電阻，如果在交變電流的一個(gè)周期內(nèi)它們產(chǎn)生的熱量相等，而這個(gè)恒定電流的電流與電壓分別為I、U，我們就把I、U叫作這一交變電流的有效值。根據(jù)這一定義，學(xué)生能夠通過(guò)計(jì)算得到圖1中交變電流的有效值，但對(duì)于如圖2所示的正弦式交變電流，學(xué)生并不能求出電流流經(jīng)電阻產(chǎn)生的具體熱量，教材對(duì)其有效值的推導(dǎo)用“理論計(jì)算表明”一句話帶過(guò)，直接給出了結(jié)論及其適用條件。學(xué)生不清楚推導(dǎo)過(guò)程，導(dǎo)致對(duì)這一結(jié)論成立的必然性和適用范圍存有質(zhì)疑，不利于自身科學(xué)思維能力的養(yǎng)成，也使得學(xué)生后續(xù)對(duì)這一結(jié)論的理解和應(yīng)用變得更加困難。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版 2020年修訂）》指出，要能對(duì)已有觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，從不同角度思考物理問(wèn)題；能采用不同方式分析解決物理問(wèn)題。［1］基于此，已有學(xué)者從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)嘗試解決這一問(wèn)題。但在測(cè)產(chǎn)熱量的過(guò)程中，所用器材繁多，物理量不好控制。筆者從實(shí)踐與思維、動(dòng)手與動(dòng)腦相互聯(lián)系的觀點(diǎn)出發(fā)，［2］制作了一款不需要測(cè)產(chǎn)熱量但能直觀演示電流有效值的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置在教學(xué)中取得了很好的效果。

2 實(shí)驗(yàn)原理

3 實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)器材及制作方法

以正弦式交變電流i＝4sinωt為例，用激光切割出i2＝16sin2ωt圖像形狀的亞克力窄條。將窄條置于前后兩塊亞克力面板間，密接粘牢，做成i2-t圖像形狀的水槽。用兩塊亞克力板作為側(cè)板，在左側(cè)板的中部開(kāi)一個(gè)注水孔（見(jiàn)圖5）。

上、下加兩塊底板固定后，將函數(shù)圖像及刻度印在透明亞克力板的前表面，體現(xiàn)圖像變換過(guò)程。制成后的正弦式交變電流有效值演示儀如圖6所示。用橡膠塞封住注水孔后，i2-t圖像形狀的注水槽上方形成封閉的中空區(qū)域。右圖為局部放大后的圖片。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

第一步，用注射器通過(guò)注水孔向i2＝16sin2ωt圖像形狀的槽內(nèi)注水，至液面與其上方橫軸齊平。為方便觀察，可在清水中滴入適量紅墨水。

第二步，塞上橡膠塞，待液面穩(wěn)定后將裝置在豎直面內(nèi)翻轉(zhuǎn)180°，水會(huì)自動(dòng)流入面板中空區(qū)域的另一側(cè)，形成矩形水域。翻轉(zhuǎn)前后的水域形狀變化如圖7所示。

利用該演示儀進(jìn)行正弦式交變電流有效值的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要環(huán)節(jié)可用圖8來(lái)表示。

4 教具優(yōu)點(diǎn)

電流的產(chǎn)熱量，而是用i2-t圖像與橫軸圍成的面積表示產(chǎn)熱量，體現(xiàn)了“微元法”的物理思想；兩部分的面積相等，這是物理過(guò)程的等效。在解決物理問(wèn)題時(shí)，我們常需運(yùn)用多種方法，這些方法雖路徑各異，但所得結(jié)果及其物理意義卻是相同的，這些方法和手段在本質(zhì)上是等效的，這種思維方式我們稱之為等效研究方法。［3］本器材的創(chuàng)新之處在于，它在前后面板間設(shè)計(jì)了中空區(qū)域，巧妙地利用了水的流動(dòng)性，將抽象的圖形面積相等轉(zhuǎn)化為了直觀的“水域面積相等”，從而使該實(shí)驗(yàn)具有可操作性，這正是等效研究方法在實(shí)踐中的生動(dòng)應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題到分析問(wèn)題，最終到解決問(wèn)題，教師引導(dǎo)學(xué)生緊扣概念，深度思考，從多個(gè)角度分析問(wèn)題，層層遞進(jìn)，深刻地體現(xiàn)了教師對(duì)學(xué)生物理思維的培養(yǎng)?；谠诮虒W(xué)過(guò)程中遇到的真實(shí)問(wèn)題，本文提出了這樣具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方案。經(jīng)過(guò)充分論證后，我們選取了合適的材料來(lái)制作儀器，并引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，最終使學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這一過(guò)程讓學(xué)生完整地經(jīng)歷了科學(xué)探究的各個(gè)環(huán)節(jié)。在利用該器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，我們不僅幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)了知識(shí)水平的顯著提升，還讓學(xué)生深刻體會(huì)到了科學(xué)的研究方法，這有助于他們養(yǎng)成良好的科學(xué)思維習(xí)慣，并顯著增強(qiáng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：79.

［2］郭玉英，蘇明義.新版課程標(biāo)準(zhǔn)解析與教學(xué)指導(dǎo)：高中物理［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2023：294.

［3］史獻(xiàn)計(jì)，徐銳.用等效法解決物理問(wèn)題的策略［J］.教學(xué)月刊（中學(xué)版）， 2009（8）： 20-22.