多功能演示的自制手搖發(fā)電機(jī)

張晴 馮杰 邱松長

摘 要： 根據(jù)教具“一物多用”的多功能演示思想，在手搖發(fā)電機(jī)教具基礎(chǔ)上進(jìn)行一定創(chuàng)新，自制由磁鐵線圈式和馬達(dá)式發(fā)電機(jī)構(gòu)成的手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，并對其在物理教學(xué)中的多種功能進(jìn)行一定說明，自制教具可在中學(xué)物理教學(xué)中推廣使用。

關(guān)鍵詞： 課堂教學(xué) 創(chuàng)新 多功能 自制手搖發(fā)電機(jī)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的基礎(chǔ)，新課標(biāo)下的物理教學(xué)實(shí)踐表明中學(xué)物理課堂教學(xué)的教具演示可以激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，活躍物理課堂氛圍，對物理新課教學(xué)起到一定的完善作用[1]。教具多功能演示是物理教學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，可以演示物理學(xué)知識、突破教學(xué)難點(diǎn)[2]。同時(shí)，自制教具的多功能演示無疑使教師和學(xué)生的創(chuàng)造能力得以激發(fā)，創(chuàng)新意識得以增強(qiáng)[3]。并且自制教具實(shí)現(xiàn)多功能演示，更在某種程度上滲透了中華傳統(tǒng)美德“勤儉節(jié)約”的思想[4]。本文對手搖發(fā)電機(jī)教具進(jìn)行一定拓展，自制手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)自制教具“一物多用”的創(chuàng)新。

1.現(xiàn)狀與問題

調(diào)查表明，目前市面上大小不一的手搖發(fā)電機(jī)DIY教具數(shù)量很多，通過手搖使其小燈泡發(fā)光，以此照明和進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生可以直觀感受到機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的神奇，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電與磁的興趣。

這些教具是否可以在手搖發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上稍稍做一些變動，實(shí)現(xiàn)其他多功能演示呢？若手搖發(fā)電機(jī)教具承載著多種演示功能，而學(xué)生又能在教具演示過程中同時(shí)學(xué)到物理學(xué)知識，那么自制教具就能發(fā)揮更大功用。因此手搖發(fā)電機(jī)的多功能演示研究是物理教學(xué)中一個(gè)有意義且有價(jià)值的課題。

2.自制手搖發(fā)電機(jī)

2.1裝置簡介

本自制裝置主要由兩個(gè)發(fā)電機(jī)構(gòu)成，分別為磁鐵線圈式手搖發(fā)電機(jī)和馬達(dá)式手搖發(fā)電機(jī)。磁鐵線圈式手搖發(fā)電機(jī)的發(fā)電主要部件是線圈、磁鐵、金屬桿、轉(zhuǎn)盤等，而馬達(dá)式手搖發(fā)電機(jī)的發(fā)電主要部件是馬達(dá)、齒輪、電鉆等，這兩個(gè)手搖發(fā)電機(jī)均能實(shí)現(xiàn)發(fā)電演示功能。

2.2自制手搖發(fā)電機(jī)的六大演示功能

（1）演示發(fā)電原理，體會電磁樂趣。

人教版高中物理3-2第四章第二節(jié)《探究電磁感應(yīng)的產(chǎn)生條件》中，實(shí)驗(yàn)表明：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電流。教師講授新課前給學(xué)生演示手搖發(fā)電機(jī)。如圖1所示，搖動馬達(dá)式手搖發(fā)電機(jī)的手柄，其負(fù)載小燈泡就會發(fā)光，以此讓學(xué)生對該節(jié)課學(xué)習(xí)有一定期待，進(jìn)一步讓學(xué)生通過觀察手搖發(fā)電機(jī)的演示體會電與磁之間的樂趣[5]。

圖1 馬達(dá)式手搖發(fā)電機(jī)的發(fā)電演示

（2）鑒別導(dǎo)體和絕緣體[6]。

中學(xué)物理電學(xué)知識的學(xué)習(xí)中，導(dǎo)體和絕緣體是學(xué)習(xí)了簡單電路基礎(chǔ)上的又一重要知識點(diǎn)，物理教學(xué)中常常需要將物理概念或規(guī)律與生活生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，以此提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，因此教學(xué)中講解完導(dǎo)體和絕緣體的概念之后，學(xué)生可自行通過實(shí)驗(yàn)鑒別生活中的常見物體，如橡皮、鉛筆芯、鐵勺、硬幣、皮筋、書本、塑料、金屬桿等是導(dǎo)體還是絕緣體，如此學(xué)生可以加深對導(dǎo)體和絕緣體的印象。

將導(dǎo)體和絕緣體鑒別實(shí)驗(yàn)與自制手搖發(fā)電機(jī)裝置相聯(lián)系，則可將手搖發(fā)電機(jī)作為電源使用，在實(shí)驗(yàn)中起到電源供電作用。實(shí)驗(yàn)中將自制手搖發(fā)電機(jī)、待檢測物體和小燈泡用導(dǎo)線串聯(lián)連接，通過觀察小燈泡的發(fā)光狀態(tài)鑒別導(dǎo)體和絕緣體，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電、鑒別導(dǎo)體和絕緣體功能的一體化，大大活躍物理教學(xué)課堂氣氛。

（3）說明二極管的單向?qū)ㄐ浴?/p>

自制手搖發(fā)電機(jī)的另一功能是說明二極管的單向?qū)ㄐ?，利用電路中連接二極管實(shí)現(xiàn)順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動手柄小燈泡發(fā)光狀態(tài)不同，從而在課堂教學(xué)中起到激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的作用，以此加深和鞏固對二極管單向?qū)ㄐ缘恼J(rèn)識。

具體教學(xué)過程設(shè)計(jì)如下所示：

教師講解完課堂新知后給學(xué)生演示發(fā)電過程，小燈泡發(fā)光；接著教師悄悄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動手柄，手搖發(fā)電機(jī)裝置中的小燈泡不發(fā)光。此時(shí)教師拋出疑問，是不是手搖發(fā)電機(jī)壞了？教師再次順時(shí)針轉(zhuǎn)動手搖發(fā)電機(jī)的手柄，小燈泡再次發(fā)光，學(xué)生腦海中產(chǎn)生疑問，為什么剛才小燈泡沒有發(fā)光；緊接著教師提示學(xué)生從手搖發(fā)電機(jī)自身電路元件尋找答案，學(xué)生通過觀察電路后發(fā)現(xiàn)外接電路中有一個(gè)二極管，從而對兩次發(fā)電演示截然不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果恍然大悟。此教學(xué)環(huán)節(jié)通過這種提出問題到學(xué)生自主探究解決問題的形式，用課堂活動落實(shí)物理知識，增加物理課堂學(xué)習(xí)樂趣，同時(shí)對新課所學(xué)二極管單向?qū)ㄐ缘闹R起到更好的鞏固作用。

（4）判斷電流的方向。

自制手搖發(fā)電機(jī)還可以用來說明電流方向，該功能是由二極管單向?qū)ㄐ匝菔緦?shí)驗(yàn)啟發(fā)得到的，由于二極管具有單向?qū)ㄐ?，因此我們可判斷電流方向，同時(shí)根據(jù)電流方向判斷手搖發(fā)電機(jī)兩個(gè)接線柱兩端電勢的高低。

（5）類比馬達(dá)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

圖2 磁鐵線圈式手搖發(fā)電機(jī)

磁鐵線圈式手搖發(fā)電機(jī)和馬達(dá)式手搖發(fā)電機(jī)都可以用來演示上述四大功能，既然如此，那么自制手搖發(fā)電機(jī)裝置為何有兩個(gè)發(fā)電機(jī)，是否可以二者取其一？答案是否定的。本裝置的與眾不同之處恰恰就是兩個(gè)手搖發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。如圖1所示是馬達(dá)式手搖發(fā)電機(jī)，該手搖發(fā)電機(jī)的重要部件是馬達(dá)，而如圖2所示的手搖發(fā)電機(jī)為磁鐵線圈式手搖發(fā)電機(jī)，主要部件為線圈和磁鐵及定軸等[7]，根據(jù)兩個(gè)手搖發(fā)電機(jī)相同的作用效果可將兩手搖發(fā)電機(jī)裝置中的重要部件進(jìn)行類比，從而讓學(xué)生清楚認(rèn)識馬達(dá)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

（6）聯(lián)想串并聯(lián)電流、電壓關(guān)系的應(yīng)用。

本自制手搖發(fā)電機(jī)裝置中的磁鐵線圈式發(fā)電機(jī)還有另一個(gè)功能，即串并聯(lián)電流、電壓之間關(guān)系的應(yīng)用。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，手搖發(fā)電機(jī)演示發(fā)電時(shí)其負(fù)載兩LED燈管發(fā)光的亮暗程度并不相同，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可啟發(fā)學(xué)生思考。經(jīng)學(xué)生自主探究可發(fā)現(xiàn)電路中發(fā)光較暗的LED燈管與二極管串聯(lián)后，再與發(fā)光較亮的LED燈管并聯(lián)在發(fā)電機(jī)兩端。若記發(fā)光較暗的LED燈管兩端、二極管兩端、發(fā)光較亮的LED燈管兩端的電壓分別為U■、U■和U，則這三者之間的電壓存在以下關(guān)系：

U=U■+U■

因此兩LED燈管發(fā)光的亮暗程度是不一樣的，本自制發(fā)電機(jī)結(jié)合串并聯(lián)電流、電壓關(guān)系知識的應(yīng)用，在一定程度上起到對串并聯(lián)電流電壓關(guān)系知識的鞏固和提升作用。

3.結(jié)語

本自制手搖發(fā)電機(jī)裝置的多功能應(yīng)用不僅可以充實(shí)課堂學(xué)習(xí)，而且可以對新課知識的理解和掌握起到一定的促進(jìn)作用，在一定程度上大大提高電學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效率和學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用能力，使學(xué)生掌握得又好又快，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識，對教師自身專業(yè)素養(yǎng)也有一定提升。本自制手搖發(fā)電機(jī)裝置的多功能演示可供物理教師拓展，使其具有更多課堂演示功能；同時(shí)，該自制手搖發(fā)電機(jī)裝置存在一定不足，若對其外表做一定改進(jìn)，使其外表更美觀，則課堂教學(xué)效果將更理想；并且自制教具的多功能演示思想，可在中學(xué)物理教學(xué)中推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉.論物理自制教具對落實(shí)新課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)價(jià)值[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（4）：350-353.

[2]冉洪喜.淺如何發(fā)揮初中物理教具的作用[J].魅力中國，2014（2）：130-131.

[3]肖純友.淺析小教具在物理課堂上的大作用[J].中學(xué)生導(dǎo)報(bào)，2014（1）：121.

[4]張道清，劉曉瑩.新課標(biāo)下初中物理自制教具的探討[J].物理教學(xué)探討，2009，27（4）：31-33.

[5]朱成.手搖發(fā)電機(jī)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010，26（7）：47.

[6]田維勝.自制手搖發(fā)電機(jī)[J].小學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)，2006（12）：40.

[7]蔡曉東.自制手搖發(fā)電機(jī)[J].實(shí)驗(yàn)與制作，2003，51.

該教具在全國第七屆“優(yōu)利德杯”大學(xué)生與研究生自制教具與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)展評中榮獲一等獎