段華良 徐曉梅 馮潔

摘? ?要：對(duì)九年級(jí)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(jiàn)的觸電情況及發(fā)生觸電時(shí)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(shí)和防范意識(shí);二是能夠?qū)⑽ｋU(xiǎn)的觸電演示實(shí)驗(yàn)安全地帶到教室做演示，甚至是做學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，以加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高學(xué)生將教材知識(shí)遷移到日常生活中的能力。

關(guān)鍵詞：安全用電;觸電;實(shí)驗(yàn)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(guò)本節(jié)知識(shí)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(shí)[1]。本節(jié)知識(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和社會(huì)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(dòng)、親身體驗(yàn)的方式向?qū)W生介紹什么是觸電，什么情況下會(huì)發(fā)生觸電。什么是觸電，什么情況下會(huì)發(fā)生觸電，這些知識(shí)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(méi)有設(shè)計(jì)相關(guān)展示實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)實(shí)踐中，許多教師也常常是“以講代做”，僅依靠書(shū)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(duì)觸電的情形及其成因產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)的缺乏。這套模擬觸電演示儀包括一個(gè)低壓觸電演示儀和一個(gè)高壓觸電演示儀，它們是利用活動(dòng)玩偶來(lái)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(bào)警聲等現(xiàn)象，讓學(xué)生感知高壓觸電和低壓觸電的常見(jiàn)情形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解常見(jiàn)的觸電現(xiàn)象及成因，掌握安全用電知識(shí)，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(jì)

低壓觸電演示儀（如圖1），主要材料有：矩形木板兩塊，長(zhǎng)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(gè)，實(shí)驗(yàn)室學(xué)生電源一個(gè)，自制小玩偶一個(gè)。

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(shí)，內(nèi)部的蜂鳴器便會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，胸口小燈亮起，同時(shí)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(shí)電流流過(guò)人體的路徑。胸口小燈模擬的是心臟，觸電時(shí)對(duì)人體的傷害程度取決于電流是否直接通過(guò)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(dòng)且能發(fā)光報(bào)警的小玩偶和模擬的家庭電路組成。在對(duì)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(lái)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(guò)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(shí)，玩偶表現(xiàn)觸電反應(yīng);當(dāng)電路不通時(shí)，玩偶無(wú)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(shí)，首先通過(guò)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(kāi)電源開(kāi)關(guān)，演示板內(nèi)部電路便通電了。低壓觸電實(shí)驗(yàn)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(méi)有發(fā)生觸電反應(yīng)。說(shuō)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(huì)觸電的。

（2）若玩偶兩只手臂同時(shí)接觸火線，發(fā)現(xiàn)玩偶沒(méi)有任何反應(yīng)。這說(shuō)明：人若兩只手同時(shí)拿一根火線，而身體的其他部位與零線、大地等絕緣時(shí)，人仍不會(huì)觸電。由此現(xiàn)象可以解釋小鳥(niǎo)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(shí)，便不會(huì)觸電的原因，解釋電工有時(shí)帶電操作也不會(huì)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(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，LED燈帶亮起。說(shuō)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(huì)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(shí)接觸零線和火線;在發(fā)生雙線觸電時(shí)一定要用絕緣體將觸電者雙手分開(kāi)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(bào)聲，LED燈帶亮起。說(shuō)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(huì)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(bào)聲，LED燈帶亮起。這說(shuō)明：人若站在地上，一只手與火線接觸，人就會(huì)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(gè)絕緣的物體;當(dāng)發(fā)生單線觸電時(shí)需要用絕緣體將觸電者的手與火線分開(kāi)或是切斷電源。

低壓觸電演示儀在使用時(shí)能夠直觀、形象、生動(dòng)地模擬出低壓觸電的各種情況，加深學(xué)生對(duì)低壓觸電的理解，同時(shí)可以充分調(diào)動(dòng)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(shí)驗(yàn)過(guò)程安全，實(shí)驗(yàn)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(jì)

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

1-跨步電壓電場(chǎng);2-小玩偶;3-示教板;4-羊角電極;

5-高壓包;6-ZVS驅(qū)動(dòng)電源;7-開(kāi)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(shí)形成的電場(chǎng)，主要通過(guò)串聯(lián)電阻的分壓原理來(lái)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(huì)發(fā)出報(bào)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(chǎng)景。小玩偶雙腿跨度大時(shí)，LED燈亮度高，蜂鳴器發(fā)出的聲音大，對(duì)應(yīng)人體雙腳之間電壓高時(shí)觸電嚴(yán)重的情況;小玩偶雙腿之間跨度小時(shí)，LED燈亮度低，蜂鳴器發(fā)出的聲音小，對(duì)應(yīng)人體雙腳之間電壓低時(shí)觸電輕微的情況?？绮诫妷弘妶?chǎng)原理如圖5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(kāi)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(guò)ZVS驅(qū)動(dòng)電源將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，通過(guò)高壓包升壓，最后通過(guò)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(shí)，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(shí)環(huán)形線圈便帶電了。

（1）剛開(kāi)始，玩偶懸掛于板面之上，身體任何部位都與地面絕緣，此時(shí)蜂鳴器沒(méi)有工作，LED燈帶不亮。這說(shuō)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(huì)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(shuō)明：在落地電線附近，人若單腳著地，一般不會(huì)發(fā)生觸電事故。

（3）若玩偶兩只腳同時(shí)踩在同一線圈上，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器和燈帶都沒(méi)有反應(yīng)。這說(shuō)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(huì)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(bào)聲，LED燈帶亮起來(lái)。這說(shuō)明兩腳之間存在跨步電壓，人是會(huì)觸電的。

通過(guò)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(shí)，不能靠近電線掉落的區(qū)域;當(dāng)發(fā)生跨步電壓觸電時(shí)，一定要雙腳并攏或單腳著地跳出電場(chǎng)區(qū)域。高壓觸電實(shí)驗(yàn)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(shí)，將開(kāi)關(guān)電源接入220 V的家庭電路中，利用開(kāi)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(guò)ZVS驅(qū)動(dòng)電源將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，通過(guò)高壓包升壓，最后通過(guò)羊角電極放電產(chǎn)生電弧。在教室中演示高壓電弧觸電時(shí)有一定的危險(xiǎn)，此時(shí)在羊角電極外加裝一個(gè)透明的亞克力保護(hù)盒，保證在實(shí)驗(yàn)時(shí)的安全。

通過(guò)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(shí)也可能觸電，原因是高壓帶電體周?chē)鷷?huì)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(shí)驗(yàn)儀能夠演示高壓觸電的兩種情況：演示跨步電壓觸電時(shí)，利用6 V的低壓電源模擬出高壓電，實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常安全，又能將跨步電壓電場(chǎng)模擬出來(lái)，加深學(xué)生對(duì)電場(chǎng)的了解;在演示高壓電弧放電現(xiàn)象的過(guò)程當(dāng)中，伴隨著電弧放電時(shí)的現(xiàn)象和聲音，實(shí)驗(yàn)效果很好，能夠從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)兩個(gè)方面來(lái)加深學(xué)生對(duì)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(méi)有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，只是用簡(jiǎn)單的幾張圖片進(jìn)行說(shuō)明，知識(shí)要點(diǎn)比較抽象，學(xué)生對(duì)觸電的概念難以理解。通過(guò)自制的模擬觸電演示儀來(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的綜合性，能將高壓觸電和低壓觸電的常見(jiàn)情形進(jìn)行演示;能夠簡(jiǎn)單、直觀、形象地呈現(xiàn)出物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果。通過(guò)對(duì)本節(jié)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)”一章教材的教學(xué)[J].物理通報(bào)，1966（5）：226-227.

[3]張紹能，肖春梅，謝幫友.觸電類(lèi)型模擬演示教具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2015，32（10）：48-50.

（欄目編輯? ? 王柏廬）