安全用電的可視化教學(xué)實驗

段華良 徐曉梅 馮潔

摘? ?要：對九年級人教版物理教材中《安全用電》一節(jié)進(jìn)行了可視化教學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計，制作了一套模擬觸電演示儀。模擬觸電演示儀，一是可以向?qū)W生演示生活中常見的觸電情況及發(fā)生觸電時的解決方法，讓學(xué)生理解觸電的原理，提高學(xué)生日常生活中安全用電的意識和防范意識;二是能夠?qū)⑽ｋU的觸電演示實驗安全地帶到教室做演示，甚至是做學(xué)生分組實驗，以加強(qiáng)學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生將教材知識遷移到日常生活中的能力。

關(guān)鍵詞：安全用電;觸電;實驗創(chuàng)新;教具制作

就初中人教版物理教材第十九章第三節(jié)《安全用電》，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確要求學(xué)生通過本節(jié)知識的學(xué)習(xí)，能夠了解家庭電路，養(yǎng)成安全用電和節(jié)約用電的意識[1]。本節(jié)知識具有較強(qiáng)的實踐性和社會性，注重科學(xué)技術(shù)在生活中的應(yīng)用，很好地體現(xiàn)了STS精神。盡管學(xué)生從小就被教育要遠(yuǎn)離帶電物體，謹(jǐn)防發(fā)生觸電事故，但是由于條件所限，很少有人能夠用直觀、生動、親身體驗的方式向?qū)W生介紹什么是觸電，什么情況下會發(fā)生觸電。什么是觸電，什么情況下會發(fā)生觸電，這些知識雖然在《安全用電》這一節(jié)教材中都有介紹，但是教材中卻沒有設(shè)計相關(guān)展示實驗。在教學(xué)實踐中，許多教師也常常是“以講代做”，僅依靠書本上的文字和圖片進(jìn)行講解。這樣，教學(xué)就很難讓學(xué)生對觸電的情形及其成因產(chǎn)生感性認(rèn)識和深入的理解。鑒于此，筆者制作了一套模擬觸電演示儀，意在彌補(bǔ)教材中低壓觸電和高壓觸電兩部分教學(xué)內(nèi)容演示實驗的缺乏。這套模擬觸電演示儀包括一個低壓觸電演示儀和一個高壓觸電演示儀，它們是利用活動玩偶來模擬人體觸電，根據(jù)玩偶胸口的小燈泡是否發(fā)光、蜂鳴器是否發(fā)出報警聲等現(xiàn)象，讓學(xué)生感知高壓觸電和低壓觸電的常見情形。通過實驗，讓學(xué)生理解常見的觸電現(xiàn)象及成因，掌握安全用電知識，也不再有“怕電”的思想[2]。

1? ? 低壓觸電演示儀

1.1? ? 低壓觸電演示儀的設(shè)計

低壓觸電演示儀（如圖1），主要材料有：矩形木板兩塊，長2 m的紅色導(dǎo)線和藍(lán)色導(dǎo)線各一根，鐵絲網(wǎng)兩塊，絕緣體小凳子一個，實驗室學(xué)生電源一個，自制小玩偶一個。

如圖2所示，小玩偶四肢貼有LED燈帶，內(nèi)部裝有蜂鳴器。當(dāng)小玩偶任意四肢之間存在電壓時，內(nèi)部的蜂鳴器便會發(fā)出報警聲，胸口小燈亮起，同時與之相關(guān)的四肢上的LED燈帶發(fā)光。LED燈帶模擬出觸電時電流流過人體的路徑。胸口小燈模擬的是心臟，觸電時對人體的傷害程度取決于電流是否直接通過心臟。

低壓觸電演示儀主要用于演示單線觸電和雙線觸電兩種情況。主要由四肢可以自由活動且能發(fā)光報警的小玩偶和模擬的家庭電路組成。在對家庭電路的模擬中，其中，紅色的線代表火線，藍(lán)色的線代表零線，紅色火線與學(xué)生電源正極相連，藍(lán)色零線先與用來模擬墻壁和大地的鐵絲網(wǎng)連接后，再與學(xué)生電源的負(fù)極相連。其中，火線和零線有一段絕緣皮破損，以方便接入玩偶給內(nèi)部電路通電。通過改變玩偶的連接方式，控制電路的通斷，當(dāng)電路連通形成回路時，玩偶表現(xiàn)觸電反應(yīng);當(dāng)電路不通時，玩偶無反應(yīng)，即不觸電。

1.2? ? 低壓觸電演示儀的使用及效果

在使用時，首先通過兩根導(dǎo)線將演示板與學(xué)生電源相連，并接入6 V的直流電壓。其中，零線接負(fù)極，火線接正極。打開電源開關(guān)，演示板內(nèi)部電路便通電了。低壓觸電實驗效果圖如圖3所示。

（1）當(dāng)玩偶僅一只手或一只腳與火線相接觸，蜂鳴器和LED燈帶都不工作，沒有發(fā)生觸電反應(yīng)。說明：人若僅用一只手或者身體的一部分接觸火線，而身體其他部位與零線、墻壁、大地等絕緣，人是不會觸電的。

（2）若玩偶兩只手臂同時接觸火線，發(fā)現(xiàn)玩偶沒有任何反應(yīng)。這說明：人若兩只手同時拿一根火線，而身體的其他部位與零線、大地等絕緣時，人仍不會觸電。由此現(xiàn)象可以解釋小鳥雙腳站在同一根輸電線上，而身體與其他輸電線保持絕緣時，便不會觸電的原因，解釋電工有時帶電操作也不會觸電的原因。

（3）若玩偶的一只手臂與火線接觸，另一只手臂與零線接觸，此時蜂鳴器發(fā)出警報聲，LED燈帶亮起。說明：雖然人與地絕緣，但是兩只手分別與火線、零線相接觸，就會發(fā)生觸電事故，這就是雙線觸電的情況。

由以上雙線觸電的情況，讓學(xué)生明白：在家庭電路中不能同時接觸零線和火線;在發(fā)生雙線觸電時一定要用絕緣體將觸電者雙手分開或切斷電源。

（4）若玩偶一只手臂與火線接觸，另一只手臂與墻壁接觸，蜂鳴器發(fā)出警報聲，LED燈帶亮起。說明：雖然人與地絕緣，但一只手與火線接觸，另一只手與墻壁接觸，人也會觸電。這是單線觸電的情形之一。

（5）若玩偶一只手臂與火線接觸，任意一只腳與地面接觸。蜂鳴器發(fā)出警報聲，LED燈帶亮起。這說明：人若站在地上，一只手與火線接觸，人就會觸電。這是單線觸電的情形之二。

由以上單線觸電的兩種情況，要讓學(xué)生明白：在接觸家庭電路之前一定要在腳下墊一個絕緣的物體;當(dāng)發(fā)生單線觸電時需要用絕緣體將觸電者的手與火線分開或是切斷電源。

低壓觸電演示儀在使用時能夠直觀、形象、生動地模擬出低壓觸電的各種情況，加深學(xué)生對低壓觸電的理解，同時可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性，能夠讓學(xué)生自主探究各種接觸情形下觸電及不觸電的原因。利用6 V電壓模擬220 V的家庭單路電壓，實驗過程安全，實驗效果直觀。

2? ? 高壓觸電演示儀

2.1? ? 高壓觸電演示儀的設(shè)計

高壓觸電演示儀（如圖4），主要材料有：開關(guān)電源一個，高壓包一個，ZVS驅(qū)動電源一個，羊角電極一個，模擬跨步電壓電場，小玩偶一個，學(xué)生電源一個，亞克力罩一個，分壓電阻四個，導(dǎo)線及裸導(dǎo)線若干。

1-跨步電壓電場;2-小玩偶;3-示教板;4-羊角電極;

5-高壓包;6-ZVS驅(qū)動電源;7-開關(guān)電源

高壓觸電演示儀主要用于演示跨步電壓觸電現(xiàn)象和高壓電弧放電兩種情況。利用環(huán)形裸線圈模擬高壓電線落到地面時形成的電場，主要通過串聯(lián)電阻的分壓原理來改變小玩偶兩端的電壓，從而控制電流的大小[3]。小玩偶只要雙腳之間存在電壓，蜂鳴器便會發(fā)出報警聲，雙腳上的LED燈帶發(fā)光，從而模擬出跨步電壓觸電的場景。小玩偶雙腿跨度大時，LED燈亮度高，蜂鳴器發(fā)出的聲音大，對應(yīng)人體雙腳之間電壓高時觸電嚴(yán)重的情況;小玩偶雙腿之間跨度小時，LED燈亮度低，蜂鳴器發(fā)出的聲音小，對應(yīng)人體雙腳之間電壓低時觸電輕微的情況?？绮诫妷弘妶鲈砣鐖D5所示。

此外，在教室中觀察到高壓電弧是比較困難的。本教具利用開關(guān)電源將家庭電路中輸入220 V的交流電轉(zhuǎn)化為24 V的直流電，再通過ZVS驅(qū)動電源將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，通過高壓包升壓，最后通過羊角電極放電產(chǎn)生電弧，讓學(xué)生觀察到高壓電弧放電現(xiàn)象。

2.2? ? 高壓觸電演示儀的使用及效果

2.2.1? ? 跨步電壓觸電

在使用時，將學(xué)生電源調(diào)至6 V，正極與環(huán)形線圈最外面一圈相連，負(fù)極與中間一圈相連，這時環(huán)形線圈便帶電了。

（1）剛開始，玩偶懸掛于板面之上，身體任何部位都與地面絕緣，此時蜂鳴器沒有工作，LED燈帶不亮。這說明：若有一根輸電線掉在地上，只要人與地面保持絕緣，人就不會觸電。

（2）若玩偶任意一只腳與環(huán)形線圈接觸，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器未有反應(yīng)。這說明：在落地電線附近，人若單腳著地，一般不會發(fā)生觸電事故。

（3）若玩偶兩只腳同時踩在同一線圈上，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器和燈帶都沒有反應(yīng)。這說明：在落地電線附近，人若雙腳并攏站在同一“點(diǎn)”上，亦即兩腳與落地電線距離大致相等，不會觸電。

（4）若玩偶兩只腳踩在不同線圈之間，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器發(fā)出警報聲，LED燈帶亮起來。這說明兩腳之間存在跨步電壓，人是會觸電的。

通過以上跨步電壓觸電現(xiàn)象的展示，讓學(xué)生明白：當(dāng)有高壓電線掉落在地面時，不能靠近電線掉落的區(qū)域;當(dāng)發(fā)生跨步電壓觸電時，一定要雙腳并攏或單腳著地跳出電場區(qū)域。高壓觸電實驗儀效果圖如圖6所示。

2.2.2? ? 高壓電弧觸電

在演示高壓電弧放電現(xiàn)象時，將開關(guān)電源接入220 V的家庭電路中，利用開關(guān)電源將家庭電路中輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)化為24 V的直流電，再通過ZVS驅(qū)動電源將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，通過高壓包升壓，最后通過羊角電極放電產(chǎn)生電弧。在教室中演示高壓電弧觸電時有一定的危險，此時在羊角電極外加裝一個透明的亞克力保護(hù)盒，保證在實驗時的安全。

通過以上高壓電弧放電現(xiàn)象的觀察，讓學(xué)生明白：人在未接觸到高壓帶電體時也可能觸電，原因是高壓帶電體周圍會產(chǎn)生高壓電弧，日常生活中一定要遠(yuǎn)離高壓帶電體，避免高壓電弧觸電。

本實驗儀能夠演示高壓觸電的兩種情況：演示跨步電壓觸電時，利用6 V的低壓電源模擬出高壓電，實驗過程非常安全，又能將跨步電壓電場模擬出來，加深學(xué)生對電場的了解;在演示高壓電弧放電現(xiàn)象的過程當(dāng)中，伴隨著電弧放電時的現(xiàn)象和聲音，實驗效果很好，能夠從視覺和聽覺兩個方面來加深學(xué)生對高壓電弧觸電的理解。

《安全用電》一節(jié)在人教版初中物理教材中并沒有設(shè)計實驗，只是用簡單的幾張圖片進(jìn)行說明，知識要點(diǎn)比較抽象，學(xué)生對觸電的概念難以理解。通過自制的模擬觸電演示儀來設(shè)計相關(guān)實驗，具有較強(qiáng)的綜合性，能將高壓觸電和低壓觸電的常見情形進(jìn)行演示;能夠簡單、直觀、形象地呈現(xiàn)出物理實驗過程和結(jié)果。通過對本節(jié)知識的實驗創(chuàng)新和教具制作，不僅豐富了現(xiàn)有中學(xué)物理教具，而且加強(qiáng)了實驗教學(xué)在日常物理教學(xué)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：1.

[2]趙桐春.記“用電常識”一章教材的教學(xué)[J].物理通報，1966（5）：226-227.

[3]張紹能，肖春梅，謝幫友.觸電類型模擬演示教具的創(chuàng)新設(shè)計與制作[J].實驗教學(xué)與儀器，2015，32（10）：48-50.

（欄目編輯? ? 王柏廬）