(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

1 引言

技術(shù)是科學(xué)、工程和數(shù)學(xué)的應(yīng)用，主要解決“如何做”的問(wèn)題。筆者在“互感”的教學(xué)中滲透技術(shù)教育，創(chuàng)設(shè)情景,引入新課,運(yùn)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué),順利完成了“互感”的實(shí)驗(yàn)探究,著重體現(xiàn)物理學(xué)的應(yīng)用性與實(shí)踐性。以“無(wú)線充電技術(shù)”為例,從無(wú)線充電技術(shù)的產(chǎn)生背景、定義、原理、應(yīng)用等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述,促進(jìn)學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)定律的深刻理解。物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”中包含了技術(shù)的要素,在本節(jié)課的教學(xué)中,學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成從科學(xué)探究到技術(shù)應(yīng)用的有效銜接,通過(guò)“知識(shí)—構(gòu)建—設(shè)計(jì)—應(yīng)用”的過(guò)程,提升高中生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 “互感”的教學(xué)過(guò)程

2.1 電影導(dǎo)入，激發(fā)興趣

播放電影《致命魔術(shù)》的片斷,這部電影主要講述了在魔術(shù)盛行的維多利亞時(shí)期著名科學(xué)家特斯拉的故事。電影中的魔術(shù)師手里拿了一個(gè)大燈泡,在沒(méi)有用電線的情況下,大燈泡被點(diǎn)亮了,使現(xiàn)場(chǎng)的觀眾驚呼:“魔法，真正的魔法!”

教師提問(wèn):在剛才的影片片斷中,我們觀察到燈泡亮了。請(qǐng)同學(xué)們思考:燈泡為什么會(huì)被點(diǎn)亮?接下來(lái)老師將用物理知識(shí)為大家進(jìn)行講解。

設(shè)計(jì)意圖:中學(xué)生的好奇心很強(qiáng),喜歡新鮮的東西,引入此電影片斷,播放與互感有關(guān)的“魔術(shù)”現(xiàn)象,以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 實(shí)驗(yàn)演示,引發(fā)思考

師:老師在第一次看到這部電影時(shí)和大家的感受一樣,頗為驚訝,不過(guò)在經(jīng)過(guò)短暫的思考和分析后,便知其所以然,接下來(lái)就讓我們一起探究吧!

教師演示:將一個(gè)燈泡與線圈連接,放在正在工作的電磁爐上,學(xué)生發(fā)現(xiàn)小燈泡亮起來(lái)了。

師:圖1是電磁爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,當(dāng)接通交流電源時(shí),線圈中便有了電流。但連接燈泡的線圈并沒(méi)有和電磁爐中的線圈相連接,小燈泡為何會(huì)亮起來(lái)呢?

圖1

設(shè)計(jì)意圖:日常生活與物理學(xué)密不可分,用生活中的實(shí)例進(jìn)行課堂教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,逐步概括出互感的定義,并指出互感的本質(zhì)就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,體現(xiàn)了“從生活走向物理”的課程理念。

2.3 新課教學(xué),講解知識(shí)

(1)引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出相關(guān)結(jié)論:沒(méi)有用導(dǎo)線連接的兩個(gè)線圈之間,當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí),它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),我們把這種現(xiàn)象叫做互感,由互感現(xiàn)象產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫做互感電動(dòng)勢(shì),互感現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

(2)利用互感現(xiàn)象可以把能量從一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈。如變壓器由鐵芯、原線圈(初級(jí)線圈)和副線圈(次級(jí)線圈)構(gòu)成,應(yīng)用了互感原理。在電力工程和電子線路中,互感有時(shí)會(huì)影響電路的正常工作,需設(shè)法減小互感的危害。

2.4 揭秘演示實(shí)驗(yàn),加深理解

電磁爐里有多匝密繞線圈,接通交流電源時(shí)，線圈中的電流發(fā)生變化，產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)，會(huì)在懸空放在電磁爐上方的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),應(yīng)用了互感原理(圖2)。

圖2

2.5 自制教具,深入探究

(1)教具制作材料

一根完整的耳機(jī)線,一根改裝的耳機(jī)線,一根改裝的音頻線,一臺(tái)音頻放大器,一部手機(jī)，兩個(gè)匝數(shù)不同的螺線管(圖3)。

圖3

(2)實(shí)驗(yàn)原理

如圖4所示，左側(cè)部分是音頻產(chǎn)生與放大電路,右側(cè)部分為功率放大器,A為初級(jí)線圈,B為次級(jí)線圈。由互感原理可知:互感電動(dòng)勢(shì)的大小正比于穿過(guò)線圈磁通量的變化率。手機(jī)播放音樂(lè)時(shí),電信號(hào)經(jīng)過(guò)音頻放大器放大,成為較強(qiáng)的交變電流信號(hào),在線圈A中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),通過(guò)互感在線圈B中感應(yīng)出交變電流,從而使音箱發(fā)聲。

圖4

(3)創(chuàng)新之處

手機(jī)發(fā)出的音頻信號(hào)不經(jīng)放大,聲音一般很小,難以達(dá)到預(yù)期的演示效果,設(shè)計(jì)過(guò)程中加入一個(gè)放大電路，不但提高了音質(zhì),還減小了失真現(xiàn)象。

3 技術(shù)應(yīng)用

21世紀(jì)是通訊的時(shí)代,在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,手機(jī)從剛開(kāi)始的“大哥大”發(fā)展到今天集多種功能于一體的智能手機(jī)。智能手機(jī)為我們帶來(lái)便利的同時(shí)也伴隨著頻繁的充電，考慮到人們的現(xiàn)實(shí)生活需求,無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

3.1 無(wú)線充電技術(shù)的定義

無(wú)線充電,即感應(yīng)式充電、非接觸式充電、無(wú)線式充電,是不以金屬導(dǎo)線或物理介質(zhì)為載體,通過(guò)電磁感應(yīng)、共振、射頻、激光發(fā)射、微波輻射等多種形式,利用空氣這一介質(zhì),將電能以無(wú)線的方式傳送出去的新技術(shù)。

3.2 無(wú)線充電技術(shù)的原理

無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用了電磁感應(yīng)等原理，利用一對(duì)線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電(圖5)。在發(fā)射端(充電器端)和接收端(手機(jī)端)各有一個(gè)線圈,當(dāng)充電線圈接入交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),受電線圈處于變化的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,由于受電線圈中的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流,經(jīng)過(guò)整流后的電流就可以為智能手機(jī)充電。

圖5

3.3 無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用

無(wú)線充電技術(shù)在手機(jī)、手表、藍(lán)牙耳機(jī)、電動(dòng)牙刷等電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，電動(dòng)汽車可利用無(wú)線充電技術(shù),采用電磁感應(yīng)式和磁場(chǎng)共振式對(duì)電動(dòng)汽車的電池進(jìn)行充電,汽車的底部在距離地面大約15cm的距離,在停車場(chǎng)的地面下方安裝供電線圈,在車底部安裝受電線圈,就可以進(jìn)行充電。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示和無(wú)線充電技術(shù)的介紹,在物理教學(xué)中滲透技術(shù)教育，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神,增強(qiáng)其實(shí)踐操作能力,提高他們的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。