对《电源和电流》演示实验的一些思考和改进
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作者:孙建华
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）01-0170-02
人教版物理选修3-1第二章第一节《电源和电流》，本节内容主要交代了电源的作用和恒定电流的产生。电源对学生来说是一个既熟悉又陌生的电学原件，说熟悉，是因为我们随处可见，随处在用;说陌生，它的工作机制到底是怎么样的，大家都不太清楚。我們都熟知，有电源才会有电流，没有电源就没有电流。为什么是这样？我们首先要搞清楚它在电路中到底充当了一个什么样的角色，为什么可以使得电路中产生恒定电流。
电源是可以实实在在看见的，但是它的供电原理我们看不见;电的现象可以看见，但电流又是不可见的。如何将抽象的、看不见的、不容易理解的东西转化成形象的、可见的、容易接受的东西，这个过程就需要教师对教材的细化和转化，充分挖掘利用教材。下面笔者就谈几点对本节实验的思考和改进。为了节省笔墨，课本中的实验和例题不再赘述。
一、电源引入的演示实验改进
课本中电源的引入是举生活中的实例，对比灯泡持续发光和闪电的短暂放电。对此可做以下改进：
所需要的仪器有：电容器（额定电压大于2V），干电池，小灯泡（或者发光二极管），开关、导线若干。用这些仪器可以对比演示三个实验现象：（1）只将开关和灯泡用导线接通，闭合开关，灯泡不亮;（2）用干电池给电容器充电后将电容器和灯泡、开关用导线连接，闭合开关，灯泡能发光，但很快会熄灭;（3）将干电池、灯泡、开关用导线接通，闭合开关，灯泡可以持续发光。三个实验对比，电路中无电流，电路中有短暂电流，电路中有持续电流，现象很明显，对比现象不同的原因关键就在干电池，说明干电池的存在能使电路中有持续的电流。干电池就是生活中常见的电源。
二、电源作用的演示实验改进
从初中开始学习电流，教材中就将电流和水流做对比来帮助学生理解电流。电流和水流确实有许多相似之处，本节中为了说明电源的作用，用抽水机和电源进行了对比，来说明电源存在的作用，尽管效果不错，但还是有一定的缺陷。比如水从抽水机流到水管口需要一定的时间，而我们开灯瞬间灯就亮了，无需等待，和电流特点不符。另外，也看不到电源的外观原理。现改进如下：用乒乓球20个，水槽两个（内垫毛巾）。请5-6个学生上台帮忙做演示，让学生站成一个半圆，每个学生手中拿一个乒乓球，其余的乒乓球放在一个水槽中。学生充当导线，乒乓球充当自由电子，两个水槽分别充当电容器的两个极板，再请一个同学站在半圆中间充当灯泡。要求如下：靠近装有乒乓球的水槽的同学负责把水槽中的乒乓球依次传递出去，每个学生都要行动起来，向同一方向传出手中的乒乓球;因为电路中不管有没有电流，导线中都有自由电子，自由电子数目不会增减，所以要保证每个同学在传递过程中，手中始终有且只有一个乒乓球。只要有乒乓球的传递就说明电路中有电流，只要有电流灯泡就能够发光，要求站在中间的同学在灯泡发光的时候把手举起来示意。当水槽中的乒乓球传完了，传递过程就结束了，就相当于电容器放电结束，电路中没有电流，演示结束。提出问题：允许增加演示人数，如何保证电路中始终有电流让灯泡持续发光？办法就是再增加一到两个同学，负责将传递到空水槽中的乒乓球再源源不断地搬回到原来的水槽中，这样就可以使得乒乓球被无止境地传递，电路中始就终有电流。后面增加的两个同学实际上就充当了电源的作用：将正极的自由电子源源不断地搬运到负极。
三、关于电流定义的提出
这里可以先提出车流量的定义：用驶过某一路口的车辆数除以计数时间就表示车流量，也就是单位时间内的车辆数。同样，电流定义和车流定义相似，即流过导体横截面的电荷量与所用时间的比值，也就是单位时间内流过导体横截面的电荷量。这样比较，得到电流的定义就是水到渠成的。
四、课本例题的改进和应用
课本例题较复杂，做如下改动：一段横截面积为1mm2的铜导线，通过的电流为1A。已知铜导线中单位体积内的铜原子个数为8.3×1028个，电子的电荷量为e=-1.6×10-19C，可以认为每个铜原子贡献一个自由电子。求自由电子定向移动速率。结果为v=7.5×10-5m/s。让学生通过计算感受这个速度是非常小的，这与我们平常感受到的电流的传输速度是不相符的，问题的设置为后面的内容留下伏笔。
五、课堂总结和效果说明
1.本节课的知识理论性比较强，相对来说学生动手的机会比较少，所以要多给学生创造动的机会，提高学生的参与度，对激发学生的学习兴趣会有好处。相对于水流比较，用乒乓球代替自由电子更形象、直观，从微观层面说明了电源和电流的特点;而且使部分学生可以参与到活动中来，不仅可以观察现象，还能自己动手。学生参与度高，提高了学生兴趣。
2.传递乒乓球过程中，只要命令下达，每个同学都开始动，凡是在手中的乒乓球都开始被传递。这个演示可以清楚地说明一个问题：因为导体中始终有自由电子，凡是电场传递到的位置，自由电子就在电场作用下定向移动;所以开关一旦闭合，无需等待电流就可以传递到各处，说明电流的传输速度不是自由电子的定向移动速度，而是电场的传输速度，即光速。
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