【doc】直流电变交流电演示模型的研究与制作

【doc】直流电变交流电演示模型的研究与制作 直流电变交流电演示模型的研究与制作 Vo1.32No.1 (2011) 物理教师 PHYSICSTEACHER 第32卷第1期 2011钲 ? 物理实验- 直流电变交流电演示模型的研究与制作 赖俊池郝占朋 (东北师范大学物理学院,吉林长春130024) 1引言 通过二极管整流可以把交流电变为直流电,但是要把 直流电变为交流电却比较困难.传统的方法是使用所谓的 "逆变电路"(例如计算机的UPS电源即是此种电路),电路 复杂,技术难度大,因此,制作演示模型有不可取之处.为了 制作一个电路简单,易操作的演示模型,本文利用加入单摆 的简易电路,成功的使直流电变为交流电,有利于启发思 维,培养创新意识,使学生对交流电,直流电在感性认识的 基础上进一步理解二者的区别与联系,特别是交流电的周 期性.本文介绍了此种模型的制作和演示方法. 2实验原理 图1所示为试验装置的基本原理图.CD为一滑动变 阻器,P为滑片,G为一检流计.通过使P在CD上做周期 性运动可观察到G的示数也呈现周期性变化. 可以证明通过检流计的电 流J3是时间,的周期函数.如 图1所示,标定各支路电流方 向如图1,使用直流电源,忽略 电源内阻.电位器起调零作用, 电阻值可以取零.令图1 Rce=R1,RpD=R2,R1+R2=,E1=E2=E. 则根据基尔霍夫定律,可以得到如下关系: 对于节点H:J1一J2一j3=0. 对于回路ABPHA:I1Rl4-13RG=E. 对于回路HPEFH:12R2—13RG=E. 由上述方程组可以解得 I3-面R2-RIE. 再令RI=譬+,R::譬一R. 可以得到 - 2R. iE?? 从(1)式中可以看出,若滑片P在CD上做简谐运动, 则 Rx:R cos.(2) 将(2)式带入(1)式中得到 J3=4E . (3)R3—c — os 2 og-R-4Re'L_j) 由(3)式中可以看出,若滑片P能做简谐运动,则j3 是关于时间,的周期函数,周期为T=2zr,与滑片P运动 , 26一 的周期相同. 单摆在小于5度的范围内可以看做简谐运动,即可用 单摆来替代图1中的滑片P.为了减小滑片P的摩擦力, 可以用水作为总阻值为R的电阻,即图1中的CD部分. 3演示模型制作 图2为演示模型装 置图,用10crn×8cm保 鲜盒制作水槽;用一块5 CITI有机玻璃制作单摆支 架;直径为2crn下端带细 针的铁球;检流计及 1000Q电位计各1个;4 节1号干电池;导线若图2 器 干.单摆摆线用l8锄导线制作,示波器1台.按实物模型 图组装,连接即可. 4实验演示与结果分析 4.1实验演示 第1步:如图2连接电路,在水槽中灌人一浅盒水,使 单摆下端细指针插入水中1Cnl左右,在口6之间连接一检 流计,调节电位器,使检流计的示数为零. 第2步:使单摆摆动,观察检流计示数变化并记录. 第3步:在之间连接一慢扫描示波器,使单摆摆动, 记录示波器所显示周期(可直接读出),并用秒表测量单摆 周期(多次测量取平均值),两者进行比较. 4.2实验结果 从慢扫描示波器的显示结果可直接看出,通过的 电流确实为交流电,呈现周期性的变化,而且示波器显示交 流电频率为1.18Hz,用秒表测量得到单摆的频率为 1.19Hz. 4.3结果分析 通过演示模型的演示结果来看,干电池提供直流电,而 在口6之间呈现交流电,很好的通过直流电得到了交流电, 并且得到的交流电与单摆有相同的频率. 5结束语 在电路教学中,讲解交流电,直流电时举例说明稍显抽 象,应用flash动画,课件演示又有失真的嫌疑,交流电与直 流电相互转化的现象和实验更是少见.本文利用加入单摆 的简易电路成功地使直流电变为交流电,并且从慢扫描示 波器上可以直接看出交流电的周期性变化,形象,直观,真 实.该演示模型与传统逆变电路相比,具有成本低廉,制作 简单,演示效果明显的优点.从演示结果来看,交流电的频 率与单摆的频率相同,演示结果很好的符合了理论推导的 第32卷第1期 2011年 物理教师 PHYSICSTEACHER V0l,32No.1 (2011) 关于《一个亟待澄清的问题》的思考 —— 与王得敏老师的商榷 王克诚 (中山大学附属中学,广东广州510275) 《物理教师》(初中版)20o9年3期王得敏老师撰写的 《一个亟待澄清的问题》,旨在澄清教材中表述得不够清楚 的关于电能表电流参数的问题.该文指出电能表上标出的 如10(20)A,这两个电流参数的名称和确切含义到底是什 么?目前各种版本的初中物理教材对此是众说纷纭,但没 有一个版本的叙述是正确的.关于名称,括号外的那个电 "额定电流"的,也有称作"正常工作允许通过的 流,有称作 最大电流"的,而括号内的那个电流参数名称,各版本教材 都未作说明;尤其是含义,以10(20)A为例,人教版的叙述 是"正常工作1OA,短时间应用时电流允许大些,但不能超 过20A,";沪科版"正常工作l0A,短时间最大电流20A"; 苏科版"正常工作最大电流10A,短时间最大20A,";北师 大版"正常工作小于10A,最大可以达到20A".除北师大 版外,其他几个版本都强调了只能"短时间"通过最大电流, 此叙述很模糊,何谓"正常工作","短时间"到底是指几分钟 还是几小时?显得颇为困惑. 应该说,王老师对教材表述含混,不够清晰的说法提出 质疑,我有同感,许多老师都有困惑,教学中采用一带而过 的手法,或者含糊其词.王老师能够把不同版本加以对照, 这种钻研精神尤其可嘉.但王老师在文中以无锡市2008年 8年级物理统考试卷给出的标准就是4400W,作为 10(20)A的电能表处于正常工作状态时允许容纳的用电器 实际功率之和作为论断的依据,并进而做出"且可避免资源 浪费"的结论,本人则不敢苟同. 笔者认为,电能表上标出的如1O(20)A,前者10A为 标定电流,即正常工作时允许通过的最大电流;后者(2O) A,即短时间内允许通过该电能表的最大电流.至于"短时 间"到底是指几分钟还是几小时?我认为既不是几分钟,更 不是几小时,是针对冲击电流的瞬间而言的. 笔者在课堂上对学生们的解释是:凡是含有电动机的 用电器,其起动电流约为正常工作电流的4,7倍,此即冲 击电流.因此,作为夏天普遍使用的空调器,无论是家庭,还 是单位,我们切不可同时起动;即使需要多台同时工作,起 动时也应有时间间隔,避免同时起动(事实上也容易做到), 否则冲击电流过大,电能表将不堪重负.像"220V,40w" 自炽灯这样的纯电阻用电器,其正常工作电阻为1210n, 正常工作电流仅0.18A,记得过去(还是上世纪8O年代末 ,我们 学生实验考查)测量时其冷电阻还不足100Q,因而刚闭合开关时,其冲击电流也是很可观的,这也就是为什么 刚闭合开关时,昨天一直正常工作的白炽灯,今天却不再能 继续尽忠职守的原因. 为防止记忆有误,笔者特地找了几只不同规格的FLS 牌白炽灯泡,用万用表的电阻挡来测量它们的冷电阻.测量 结果是:常温下,"220V,100W"灯泡的冷电阻仅3812; "220V,60W"灯泡的冷电阻为8012;"220V,40W"灯泡的 冷电阻是10012;"220V,25W"灯泡的冷电阻是22012;即 每个灯泡的冷电阻大约是它们在额定电压下正常工作电阻 1 484n,807Q,1210Q,19360的左右,因此,起动电流 1U 也约为正常工作电流的1O倍左右. 按照王老师的说法,电能表上的标识如为lO(2O)A,电 能表上允许同时工作的用电器最大功率应当是4400W, 如果电路中连接的是一台功率为4400W的家庭中央空调 器,或是110盏额定功率为40W的白炽灯组成的校园照 明电路,起动时,这只电能表的命运如何,想必是不堪重负, 全线崩溃无疑了. 我们知道:对于保险丝,其规格上有额定电流和熔断电 流2个指标,通常同一规格的保险丝,其熔断电流为额定电 流的两倍.两者的意义实际上与电能表上的"标定电流"及 "短时间内允许通过该电能表的最大电流"是相对应的. 上世纪7O年代中后期,故乡扬州家家户户纷纷开始装 独立的电能表,当时笔者家装的是苏州电表厂生产的5 (10)A.30年过去了,随着空调器,电热水器等大功率用电 器普遍进入家庭,5(10)A规格的电能表,已纷纷淘汰,被 20(40)A等大规格的电能表所取代.不管哪种规格的,括号 内的那个电流参数的权威解释,应该很容易从电表厂生产 厂家获得.在科学问题上,我们应该持审慎态度,尤其是批 评质疑时,更要全面考虑.否则,不但会贻笑大方,还会有误 导之嫌啊! (收稿日期"2009—05—30) 结果,而且制作容易,操作简单,有利于引导学生积极思考 物理与生活,理论与实践的联系性,从而培养学生学以致 用,追求真理,热爱科学的情趣.因此,利用该方法制作得到 的演示模型在课堂教学中有较大的推广价值. 参考文献: 1刘进京.直流变交流的简易方法.教育实践与研究,2001(8). 2杨述武,赵立竹,沈国土.普通物理实验(第4版).北京:高等教 育出版社,20o8. (收稿日期:2010一O9—14) 一 27—