从“局部短路的巧妙应用”谈学生创新能力的培养

蔡曙峰

(江苏省石庄高级中学,江苏如皋 226531)

课堂教学是实施素质教育的主渠道,在日常教学过程中,教给学生的不仅仅是知识,更重要的是培养学生的创新精神和实践能力,这才是我们教学的出发点和归属.在物理教学过程中如何实施这一教学目标,下面就一节电学复习课“局部短路的巧妙应用”谈谈如何利用一个知识点来培养学生的创新能力.

课堂实录1

师:我们知道,由于短路时电流很大具有危害性,所以在电路中应避免短路现象的发生.短路由于电流过大,所以都尽量避免,但能不能利用这一特点为我所用呢?

生:疑惑中热烈讨论.

图1

师:好,请大家看这样的电路图(见图1),这是局部短路的电路,请分析该电路具有的特点?

生甲:如图 1所示,当S、S1闭合时电流通过与电阻并联的导线直接流入电灯,而不经过电阻 R.其特点是与导线并联的那部分用电器没有电流通过,用电器不能工作.

生乙:根据该电路的特点,被短路的部分电路(图中电阻R)的工作状态可以通过控制S1来控制.所以可以作控制电路使用.

师:(趁热打铁,进一步设疑)为什么不用开关直接控制电路,而用局部短路来控制电路,在实际生活中有什么实际意义?在什么情况下使用该电路来控制?学生讨论后回答.

生:正常情况下电路接通时用电器正常工作,而断开时停止工作.但此电路正好相反,当跟用电器并联的导线断开时用电器中有电流通过,正常工作;该导线接通时用电器被短路,无法正常工作.所以可以用作断路的监控.

图2

例 1.电路设计.某牧场管理员想设计一个能自动放养牛羊的装置.用细导线将牛羊群围住,当牛羊在圈内吃草时,小屋内指示灯亮;当有的牛羊跑出圈外时就会碰断细导线,这时电铃发出响声且指示灯仍亮,现有电源、电铃、电灯、开关各1只,导线若干,请你设计符合此要求的电路.

解答:如图2所示.

点评:正常情况下电路中只有指示灯亮,而电铃不响,即电铃处于无电流状态,当羊跑出圈外就会碰断细导线,这时电铃发出响声且指示灯仍亮,说明当导线短路时电铃所在的电路通路,由此我们很容易联想到部分电路短路,只要将电铃和指示灯串联,同时用一根较长的导线将电铃短路,且用这根导线围住羊群.这样当羊群在导线围成的圈内,电铃被短路不响,但指示灯是亮的,如有羊跑出圈外时就会碰断细导线,这时电铃发出响声且指示灯亮,发出警报,从而起到监控羊群的作用.

例2.小轿车的仪表盘上,有一个显示汽车车门关闭状况的指示灯.只要4个车门中有一个没关闭(此时装在车门上的电路开关处于断开),指示灯就发光提醒.下面图3中4个电路中,能体现该装置工作原理的是

图3

点评:由题意可以看出,每个门对应一个开关,只要有一个汽车门没有关闭(即对应的开关没闭合),则电灯就是亮的,只有将车门全部关闭(即所有的开关全闭合)电灯才熄灭.因此只有将电灯与开关并联,这样当开关闭合时电灯因短路而熄灭,但汽车有4个门,即4个开关,那么如何才能使4个开关全闭合时电灯才短路?如果4个开关并联如图3(B)所示,只要闭合任意一个开关电灯就会因短路而熄灭,显然是不行的,因此只有将4个开关串联后再与电灯并联如图3(D),这样只有 4个开关全闭合,电灯才被短路,从而起到对车门是否全关的监测作用.

此题要求是一个指示灯监控所有的门,如果指示灯亮只能说明有门没关,但不知道是哪个门,这是这个电路的缺陷,那么我们如何改进?每个门都有一个指示灯控制,哪个指示灯亮就对应哪个门没关.例3就很好地解决了这个问题.

例3.(2009年杭州中考第19题)小施学校的教学楼有东、南、西、北4扇大门,放学后要求都要将门关上.平时传达室的蒋师傅住在南门,每天都要跑3个地方检查门是否关上,非常辛苦.小施学了电学后为减轻蒋师傅的工作量,设计了一电路图,即3个门中只要有门没关好(相当于1个开关断开),则代表该扇门的指示灯就会发光.下列电路图中符合要求的是

图4

此题中要解决通过对应的指示灯来判断门的开与关,只要将每个门与对应的指示灯分别并联,如选项(A)所示即可.

课堂实录2

师:以上我们仅对被短路的那部分电路的特点进行了分析,通过分析得出的局部短路特点并对其应用进行了有效地尝试,那么就整个电路而言,发生局部短路的前后电路又有什么变化吗?请同学们讨论.

学生甲:由于局部短路前后电路中的总电阻发生了变化,电源电压不变的情况下电路的电流也发生相应的变化.

学生乙:在发生局部短路前后,与之串联的没有短路的用电器两端的电压也发生相应的变化.

师:刚才两位同学分析得很好,电路中的电流和另一用电器的电压都发生了变化,那么就整个电路而言又有什么物理量发生了变化呢?

生:电功率!(很多同学同时叫了出来)

师:那么很显然局部短路还可以有什么应用呢?

生:改变电路的电功率.

在这段师生互动中,通过教师的设疑,把学生从局部短路的控制作用的定向思维成功地转向了局部短路应用的另一个重要的发现.这一过程恰到好处地培养了学生的发散思维能力和创新能力.

例4.表1为1台电烤箱的铭牌,其内部简化电路如图5所示,R1和R2均为电热丝.

求:(1)电烤箱在高温挡正常工作10 min所消耗的电能;

(2)电路中 R1的阻值;

(3)电烤箱在低温挡正常工作时,电路中的电流和R1的功率.

图5

表1

答案:(1)W=P高t=1 100 W×600s=6.6×105J.

点评:根据局部电路短路的特点,当电路某部分短路时,被短路的部分未连入电路,电路的总电阻减小,在电源电压不变的条件下,电流增大,根据功率P=UI可知电路的功率将会变大.因此我们可以根据这一特点实现功率大小的控制.本题是一个典型的应用部分电路短路来控制电路功率的试题,解此题时,首先先理解电路控制的原理,由电路图可以看出,当 S1闭合 S2断开时,R1、R2串联,电路的总电阻最大,电流就最小,根据电功率P=UI可知此时电路的功率最小;当S1、S2都闭合时电阻 R2短路,电路的总电阻等于R1的电阻,即总电阻减小,电路的电流增大,根据电功率P=UI可知电路电功率最大.