自制學(xué)科教具的兩個(gè)研究實(shí)例 論文

自制學(xué)科教具的兩個(gè)研究實(shí)例摘要：利用廢舊黑白電視機(jī)的磁場偏轉(zhuǎn)原理改制簡易示波器，來研究聲音的三要素；利用12伏變壓器模擬發(fā)電廠、升降壓電站，利用電阻模擬遠(yuǎn)距離輸電線，來模擬遠(yuǎn)近距離高低壓輸電的不同效果。關(guān)鍵詞：聲音三要素，電視機(jī)改裝、放大電路，改裝示波器，遠(yuǎn)程高低壓輸電，高低壓輸電理論演算。引言：在學(xué)科教學(xué)的過程中，觀察和實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是很多學(xué)科教學(xué)的重要手段，所有學(xué)科實(shí)驗(yàn)的開展都離不開合適的實(shí)驗(yàn)裝置，因此，開發(fā)研究制作實(shí)驗(yàn)教具，對師生的動手操作、合作創(chuàng)新等素養(yǎng)的養(yǎng)成有著積極的促進(jìn)作用；對豐富課堂教學(xué)和完善教學(xué)方法等有著非常重要的意義。一、聲音的三要素演示教具研究報(bào)告1.研究背景我們使用的滬粵版物理教材第二章第2、3兩小節(jié)《我們怎樣區(qū)分聲音》部分，出示了一系列圖片——用波形顯示聲音的音調(diào)、響度和音色，它很好地為我們展示了振幅、振動次數(shù)、波的形狀與響度、音調(diào)、音色之間的關(guān)系，同學(xué)們雖然對這些方式有所了解，但對這些方式的具體構(gòu)造和原理是完全不了解的，憑借我們老師的講解和多媒體的展示也僅能加深了解，實(shí)驗(yàn)室也僅配備了簡易示波器，并沒有話筒放大和音頻輸入設(shè)備，因此，制作一套聲音的三要素演示教具，就能很好地解決此教學(xué)難題。2.具體制作（1）方案的設(shè)計(jì)用改裝后的黑白電視機(jī)作為波形顯示的主要媒介，加入藍(lán)牙音頻輸入、音頻播放與波形的同步顯示以及話筒輸入電路。（2）具體的制作黑白電視機(jī)改裝為示波器：考慮到裝置的科技性和變廢為寶宗旨，采用將淘汰了的老式黑白電視機(jī)改裝為簡易單蹤示波器后作為波形顯示的核心元件。改裝過程：A、所需器材可以點(diǎn)亮的黑白電視機(jī)一臺、d類10w以上音頻功率放大器一套、藍(lán)牙音頻播放器一塊、動圈麥克風(fēng)前置放大器一塊、動圈話筒一支、100k歐電位器一個(gè)、導(dǎo)線若干。B、改裝前的設(shè)想根據(jù)示波器和crt電視機(jī)的工作原理分析，兩者有很多相似之處，區(qū)別在于電視機(jī)和示波器中電子的運(yùn)動原理不相同：電視機(jī)中電子是靠磁場來完成掃描運(yùn)動的；而示波器中電子是靠電場來完成掃描運(yùn)動的，偏轉(zhuǎn)原理基本相同，因此，可以進(jìn)行試驗(yàn)改裝。C、具體改裝方法拆開黑白電視機(jī)，找到偏轉(zhuǎn)線圈。如下圖所示：我們可以看到偏轉(zhuǎn)線圈有四個(gè)焊點(diǎn)接頭：兩根行偏轉(zhuǎn)和兩根場偏轉(zhuǎn)，我們可以用萬用表測量兩組線圈的直流電阻，通常，阻值小的為行偏轉(zhuǎn)，阻值稍大的為場偏轉(zhuǎn)。斷開行偏轉(zhuǎn)，開機(jī)可以觀察到屏幕中間亮起一條豎直的亮線松開偏轉(zhuǎn)線圈組件，將整個(gè)組件順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，使豎線變?yōu)闄M線。將斷開的行偏轉(zhuǎn)線妥善處理，用一塊8610d類數(shù)字功放板，把功放的喇叭輸出端通過一10歐姆功率電阻接在行偏轉(zhuǎn)線圈上，8610電源端接在電視機(jī)內(nèi)的12伏開關(guān)電源上。再把藍(lán)牙模塊和話筒前置放大模塊的音頻輸出分別通過10k電阻接在8610的音頻輸入端，藍(lán)牙模塊通過7805，降壓為5伏接入藍(lán)牙模塊；話筒前置放大模塊可直接接入機(jī)內(nèi)12伏開關(guān)電源上：3.整體組裝根據(jù)各自工作特點(diǎn)，合理安排安裝位置，把以上四個(gè)部分組裝到黑白電視機(jī)內(nèi)的適當(dāng)位置上，就組合成了聲音的三要素演示教具。成品如下：4.具體實(shí)驗(yàn)演示操作（1）藍(lán)牙音頻波形分析演示手機(jī)和本裝置進(jìn)行藍(lán)牙配對，在手機(jī)播放器中播放有關(guān)樂器或人聲音頻，觀察示波器波形，多次操作，比較兩種或兩種以上不同聲音的三要素，得出相應(yīng)結(jié)論（振幅決定響度、頻率決定音調(diào)、波的形狀決定音色）。（2）麥克風(fēng)輸入聲音波形分析演示把動圈話筒插入話筒插座，幾位同學(xué)對著話筒說相同的話，比較不同同學(xué)聲音的三要素；也可以用不同音叉等在話筒前敲擊，觀察波形，得出相應(yīng)結(jié)論（振幅決定響度、頻率決定音調(diào)、波的形狀決定音色）。5.創(chuàng)新點(diǎn)（1）采用電視機(jī)改裝示波器的辦法，增加了廢物的利用。（2）兩種輸入形式相結(jié)合，實(shí)時(shí)觀察波形，課堂效果好。（3）采用藍(lán)牙音頻輸入，能觀察多種網(wǎng)絡(luò)音頻的波形，多種類型的音頻素材獲取更容易，適用范圍更廣。二、自制高壓輸電演示教具1.研究背景我們使用的滬粵版物理教材第18章第3節(jié)《電能與社會發(fā)展》的《我國的電力工業(yè)》部分，出示了“圖18——17高壓輸電”，同學(xué)們對這高壓輸電有所了解，但對為什么要用高壓輸電是完全不了解的，憑借我們老師的講解和多媒體的展示也僅能加深了解，因此，制作一套高壓輸電演示教具，就能很好地解決此教學(xué)難題。2.具體制作（1）方案的設(shè)計(jì)采用低壓輸電和高壓輸電兩種不同的形式，定性和定量分析高壓輸電的優(yōu)勢。（2）制作原理遠(yuǎn)程低壓輸電原理分析：T1為220v——12v30w變壓器，用它將220v市電變?yōu)?2v交流電來模擬發(fā)電站，將k1和k2都置于上方時(shí)，近戶端直接接入此12v，遠(yuǎn)戶端通過R1為10歐姆的電阻接入此12v。遠(yuǎn)程高壓輸電：將k1和k2都置于下方時(shí)，變壓器T2將T1輸出的12v交流電升為220v交流電，通過R2為10歐姆的電阻接入變壓器T3，T3將T2輸出的220v交流電降壓為12v交流電后，接入遠(yuǎn)戶端。（3）具體制作所需器材：220v——12v30w變壓器三只、雙刀雙擲開關(guān)兩只、船型開關(guān)6只、2伏3瓦小燈泡（電阻48歐姆）和燈座各6只、10歐10瓦水泥電阻兩只、電壓表一只、插頭一個(gè)、1.5平方紅綠導(dǎo)線若干、扎帶若干、三合板一塊、加固木條四根、自攻螺絲若干。安裝：將以上器材按照下圖，用螺絲和膠水固定在90cm*40cm的三合板上，四根木條用膠水粘接在三合板地面四周，并按照原理圖連接好導(dǎo)線。3.具體演示操作（1）低壓輸電演示將裝置接入220v市電插座，把k1和k2閉合在上方，再相機(jī)閉合s1、s2、s3和s1’、s2’、s3’，觀察L1——L6的亮度情況，發(fā)現(xiàn)近戶端的L1、L2、L3的亮度明顯高于L1’、L2’、L3’，并且依次閉合s1、s2、s3時(shí)，L1、L2、L3的亮度不受后面燈的閉合而變暗；但依次閉合s1’、s2’、s3’時(shí)，L1’、L2’、L3’的亮度會隨著后面燈的閉合而變暗。這表示，距離發(fā)電站近的用戶基本可以，但距離發(fā)電站遠(yuǎn)的用戶就不能滿足正常用電需求了。（2）低壓輸電理論分析近戶端的輸電線較短，導(dǎo)線電阻小，近戶端基本不受影響，而遠(yuǎn)戶端通過串聯(lián)10歐姆電阻接入，用戶和導(dǎo)線的電阻形成串聯(lián)電路，根據(jù)歐姆定律的分壓規(guī)律，有一部分電壓分在導(dǎo)線的電阻上面，用戶只能得到不足規(guī)定電壓的電能，所以亮度下降。當(dāng)?shù)?只燈泡接入時(shí)：U戶1=I1*R1=【U/(R1+R導(dǎo)線)】*R1=【12v/(48Ω+10Ω)】*48Ω≈9.9v當(dāng)?shù)?只燈泡接入時(shí)：U戶2=I2*R2=【U/(R2+R導(dǎo)線)】*R2=【12v/(24Ω+10Ω)】*24Ω≈8.5v當(dāng)?shù)?只燈泡接入時(shí)：U戶3=I3*R3=【U/(R3+R導(dǎo)線)】*R3=【12v/(16Ω+10Ω)】*16Ω≈7.4v……根據(jù)以上演算，得出的結(jié)論是：用戶數(shù)量越多，遠(yuǎn)戶端的電壓就越低。那么這一部分電能消耗在什么地方呢？根據(jù)焦耳定律，電阻上面會產(chǎn)生熱量：當(dāng)?shù)?只燈泡接入時(shí)：P線1=I12*R導(dǎo)線=【U/(R1+R導(dǎo)線)】2*R導(dǎo)線=【12v/(48Ω+10Ω)】2*10Ω≈0.4w當(dāng)?shù)?只燈泡接入時(shí)：P線2=I22*R導(dǎo)線=【U/(R2+R導(dǎo)線)】2*R導(dǎo)線=【12v/(24Ω+10Ω)】2*10Ω≈1.2w當(dāng)?shù)?只燈泡接入時(shí)：P線3=I32*R導(dǎo)線=【U/(R3+R導(dǎo)線)】2*R導(dǎo)線=【12v/(16Ω+10Ω)】2*10Ω≈2.1w根據(jù)以上演算，導(dǎo)線消耗的功率，隨著用戶的增多而變大?！ㄟ^上述的演示現(xiàn)象和理論演算，得出低壓輸電的弊端。（3）高壓輸電演示將裝置接入220v市電插座，把k1和k2閉合在下方，再相機(jī)閉合s1’、s2’、s3’，觀察L1’、L2’、L3’的亮度情況，發(fā)現(xiàn)依次閉合s1’、s2’、s3’時(shí)，L1’、L2’、L3’的亮度基本不受后面燈的閉合而變暗，不再像前面的那樣受影響了，這表示，距離發(fā)電站遠(yuǎn)的用戶，必須采用高壓輸電，才能滿足遠(yuǎn)戶端用戶的用電需求。（4）高壓輸電理論分析根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt得：當(dāng)輸電線的電阻R不可更改時(shí)，只有降低線路中的電流I，方能降低輸電線對電能的消耗。再根據(jù)變壓器的原理：輸入功率=輸出功率，再由功率的計(jì)算公式P=UI得，在功率不變的情況下，升高電壓U就能降低電流