自制学科教具的两个研究实例 论文

自制学科教具的两个研究实例摘要：利用废旧黑白电视机的磁场偏转原理改制简易示波器，来研究声音的三要素；利用12伏变压器模拟发电厂、升降压电站，利用电阻模拟远距离输电线，来模拟远近距离高低压输电的不同效果。关键词：声音三要素，电视机改装、放大电路，改装示波器，远程高低压输电，高低压输电理论演算。引言：在学科教学的过程中，观察和实验是学生学习的基础，也是很多学科教学的重要手段，所有学科实验的开展都离不开合适的实验装置，因此，开发研究制作实验教具，对师生的动手操作、合作创新等素养的养成有着积极的促进作用；对丰富课堂教学和完善教学方法等有着非常重要的意义。一、声音的三要素演示教具研究报告1.研究背景我们使用的沪粤版物理教材第二章第2、3两小节《我们怎样区分声音》部分，出示了一系列图片——用波形显示声音的音调、响度和音色，它很好地为我们展示了振幅、振动次数、波的形状与响度、音调、音色之间的关系，同学们虽然对这些方式有所了解，但对这些方式的具体构造和原理是完全不了解的，凭借我们老师的讲解和多媒体的展示也仅能加深了解，实验室也仅配备了简易示波器，并没有话筒放大和音频输入设备，因此，制作一套声音的三要素演示教具，就能很好地解决此教学难题。2.具体制作（1）方案的设计用改装后的黑白电视机作为波形显示的主要媒介，加入蓝牙音频输入、音频播放与波形的同步显示以及话筒输入电路。（2）具体的制作黑白电视机改装为示波器：考虑到装置的科技性和变废为宝宗旨，采用将淘汰了的老式黑白电视机改装为简易单踪示波器后作为波形显示的核心元件。改装过程：A、所需器材可以点亮的黑白电视机一台、d类10w以上音频功率放大器一套、蓝牙音频播放器一块、动圈麦克风前置放大器一块、动圈话筒一支、100k欧电位器一个、导线若干。B、改装前的设想根据示波器和crt电视机的工作原理分析，两者有很多相似之处，区别在于电视机和示波器中电子的运动原理不相同：电视机中电子是靠磁场来完成扫描运动的；而示波器中电子是靠电场来完成扫描运动的，偏转原理基本相同，因此，可以进行试验改装。C、具体改装方法拆开黑白电视机，找到偏转线圈。如下图所示：我们可以看到偏转线圈有四个焊点接头：两根行偏转和两根场偏转，我们可以用万用表测量两组线圈的直流电阻，通常，阻值小的为行偏转，阻值稍大的为场偏转。断开行偏转，开机可以观察到屏幕中间亮起一条竖直的亮线松开偏转线圈组件，将整个组件顺时针或者逆时针旋转90度，使竖线变为横线。将断开的行偏转线妥善处理，用一块8610d类数字功放板，把功放的喇叭输出端通过一10欧姆功率电阻接在行偏转线圈上，8610电源端接在电视机内的12伏开关电源上。再把蓝牙模块和话筒前置放大模块的音频输出分别通过10k电阻接在8610的音频输入端，蓝牙模块通过7805，降压为5伏接入蓝牙模块；话筒前置放大模块可直接接入机内12伏开关电源上：3.整体组装根据各自工作特点，合理安排安装位置，把以上四个部分组装到黑白电视机内的适当位置上，就组合成了声音的三要素演示教具。成品如下：4.具体实验演示操作（1）蓝牙音频波形分析演示手机和本装置进行蓝牙配对，在手机播放器中播放有关乐器或人声音频，观察示波器波形，多次操作，比较两种或两种以上不同声音的三要素，得出相应结论（振幅决定响度、频率决定音调、波的形状决定音色）。（2）麦克风输入声音波形分析演示把动圈话筒插入话筒插座，几位同学对着话筒说相同的话，比较不同同学声音的三要素；也可以用不同音叉等在话筒前敲击，观察波形，得出相应结论（振幅决定响度、频率决定音调、波的形状决定音色）。5.创新点（1）采用电视机改装示波器的办法，增加了废物的利用。（2）两种输入形式相结合，实时观察波形，课堂效果好。（3）采用蓝牙音频输入，能观察多种网络音频的波形，多种类型的音频素材获取更容易，适用范围更广。二、自制高压输电演示教具1.研究背景我们使用的沪粤版物理教材第18章第3节《电能与社会发展》的《我国的电力工业》部分，出示了“图18——17高压输电”，同学们对这高压输电有所了解，但对为什么要用高压输电是完全不了解的，凭借我们老师的讲解和多媒体的展示也仅能加深了解，因此，制作一套高压输电演示教具，就能很好地解决此教学难题。2.具体制作（1）方案的设计采用低压输电和高压输电两种不同的形式，定性和定量分析高压输电的优势。（2）制作原理远程低压输电原理分析：T1为220v——12v30w变压器，用它将220v市电变为12v交流电来模拟发电站，将k1和k2都置于上方时，近户端直接接入此12v，远户端通过R1为10欧姆的电阻接入此12v。远程高压输电：将k1和k2都置于下方时，变压器T2将T1输出的12v交流电升为220v交流电，通过R2为10欧姆的电阻接入变压器T3，T3将T2输出的220v交流电降压为12v交流电后，接入远户端。（3）具体制作所需器材：220v——12v30w变压器三只、双刀双掷开关两只、船型开关6只、2伏3瓦小灯泡（电阻48欧姆）和灯座各6只、10欧10瓦水泥电阻两只、电压表一只、插头一个、1.5平方红绿导线若干、扎带若干、三合板一块、加固木条四根、自攻螺丝若干。安装：将以上器材按照下图，用螺丝和胶水固定在90cm*40cm的三合板上，四根木条用胶水粘接在三合板地面四周，并按照原理图连接好导线。3.具体演示操作（1）低压输电演示将装置接入220v市电插座，把k1和k2闭合在上方，再相机闭合s1、s2、s3和s1’、s2’、s3’，观察L1——L6的亮度情况，发现近户端的L1、L2、L3的亮度明显高于L1’、L2’、L3’，并且依次闭合s1、s2、s3时，L1、L2、L3的亮度不受后面灯的闭合而变暗；但依次闭合s1’、s2’、s3’时，L1’、L2’、L3’的亮度会随着后面灯的闭合而变暗。这表示，距离发电站近的用户基本可以，但距离发电站远的用户就不能满足正常用电需求了。（2）低压输电理论分析近户端的输电线较短，导线电阻小，近户端基本不受影响，而远户端通过串联10欧姆电阻接入，用户和导线的电阻形成串联电路，根据欧姆定律的分压规律，有一部分电压分在导线的电阻上面，用户只能得到不足规定电压的电能，所以亮度下降。当第1只灯泡接入时：U户1=I1*R1=【U/(R1+R导线)】*R1=【12v/(48Ω+10Ω)】*48Ω≈9.9v当第2只灯泡接入时：U户2=I2*R2=【U/(R2+R导线)】*R2=【12v/(24Ω+10Ω)】*24Ω≈8.5v当第3只灯泡接入时：U户3=I3*R3=【U/(R3+R导线)】*R3=【12v/(16Ω+10Ω)】*16Ω≈7.4v……根据以上演算，得出的结论是：用户数量越多，远户端的电压就越低。那么这一部分电能消耗在什么地方呢？根据焦耳定律，电阻上面会产生热量：当第1只灯泡接入时：P线1=I1²*R导线=【U/(R1+R导线)】²*R导线=【12v/(48Ω+10Ω)】²*10Ω≈0.4w当第2只灯泡接入时：P线2=I2²*R导线=【U/(R2+R导线)】²*R导线=【12v/(24Ω+10Ω)】²*10Ω≈1.2w当第3只灯泡接入时：P线3=I3²*R导线=【U/(R3+R导线)】²*R导线=【12v/(16Ω+10Ω)】²*10Ω≈2.1w根据以上演算，导线消耗的功率，随着用户的增多而变大。……通过上述的演示现象和理论演算，得出低压输电的弊端。（3）高压输电演示将装置接入220v市电插座，把k1和k2闭合在下方，再相机闭合s1’、s2’、s3’，观察L1’、L2’、L3’的亮度情况，发现依次闭合s1’、s2’、s3’时，L1’、L2’、L3’的亮度基本不受后面灯的闭合而变暗，不再像前面的那样受影响了，这表示，距离发电站远的用户，必须采用高压输电，才能满足远户端用户的用电需求。（4）高压输电理论分析根据焦耳定律Q=I²Rt得：当输电线的电阻R不可更改时，只有降低线路中的电流I，方能降低输电线对电能的消耗。再根据变压器的原理：输入功率=输出功率，再由功率的计算公式P=UI得，在功率不变的情况下，升高电压U就能降低电流