安全用电的可视化教学实验

段华良 徐晓梅 冯洁

摘   要：对九年级人教版物理教材中《安全用电》一节进行了可视化教学实验创新设计，制作了一套模拟触电演示仪。模拟触电演示仪，一是可以向学生演示生活中常见的触电情况及发生触电时的解决方法，让学生理解触电的原理，提高学生日常生活中安全用电的意识和防范意识;二是能够将危险的触电演示实验安全地带到教室做演示，甚至是做学生分组实验，以加强学生的实践能力，提高学生将教材知识迁移到日常生活中的能力。

关键词：安全用电;触电;实验创新;教具制作

就初中人教版物理教材第十九章第三节《安全用电》，《义务教育物理课程标准》明确要求学生通过本节知识的学习，能够了解家庭电路，养成安全用电和节约用电的意识[1]。本节知识具有较强的实践性和社会性，注重科学技术在生活中的应用，很好地体现了STS精神。尽管学生从小就被教育要远离带电物体，谨防发生触电事故，但是由于条件所限，很少有人能够用直观、生动、亲身体验的方式向学生介绍什么是触电，什么情况下会发生触电。什么是触电，什么情况下会发生触电，这些知识虽然在《安全用电》这一节教材中都有介绍，但是教材中却没有设计相关展示实验。在教学实践中，许多教师也常常是“以讲代做”，仅依靠书本上的文字和图片进行讲解。这样，教学就很难让学生对触电的情形及其成因产生感性认识和深入的理解。鉴于此，笔者制作了一套模拟触电演示仪，意在弥补教材中低压触电和高压触电两部分教学内容演示实验的缺乏。这套模拟触电演示仪包括一个低压触电演示仪和一个高压触电演示仪，它们是利用活动玩偶来模拟人体触电，根据玩偶胸口的小灯泡是否发光、蜂鸣器是否发出报警声等现象，让学生感知高压触电和低压触电的常见情形。通过实验，让学生理解常见的触电现象及成因，掌握安全用电知识，也不再有“怕电”的思想[2]。

1    低压触电演示仪

1.1    低压触电演示仪的设计

低压触电演示仪（如图1），主要材料有：矩形木板两块，长2 m的红色导线和蓝色导线各一根，铁丝网两块，绝缘体小凳子一个，实验室学生电源一个，自制小玩偶一个。

如图2所示，小玩偶四肢贴有LED灯带，内部装有蜂鸣器。当小玩偶任意四肢之间存在电压时，内部的蜂鸣器便会发出报警声，胸口小灯亮起，同时与之相关的四肢上的LED灯带发光。LED灯带模拟出触电时电流流过人体的路径。胸口小灯模拟的是心脏，触电时对人体的伤害程度取决于电流是否直接通过心脏。

低压触电演示仪主要用于演示单线触电和双线触电两种情况。主要由四肢可以自由活动且能发光报警的小玩偶和模拟的家庭电路组成。在对家庭电路的模拟中，其中，红色的线代表火线，蓝色的线代表零线，红色火线与学生电源正极相连，蓝色零线先与用来模拟墙壁和大地的铁丝网连接后，再与学生电源的负极相连。其中，火线和零线有一段绝缘皮破损，以方便接入玩偶给内部电路通电。通过改变玩偶的连接方式，控制电路的通断，当电路连通形成回路时，玩偶表现触电反应;当电路不通时，玩偶无反应，即不触电。

1.2    低压触电演示仪的使用及效果

在使用时，首先通过两根导线将演示板与学生电源相连，并接入6 V的直流电压。其中，零线接负极，火线接正极。打开电源开关，演示板内部电路便通电了。低压触电实验效果图如图3所示。

（1）当玩偶仅一只手或一只脚与火线相接触，蜂鸣器和LED灯带都不工作，没有发生触电反应。说明：人若仅用一只手或者身体的一部分接触火线，而身体其他部位与零线、墙壁、大地等绝缘，人是不会触电的。

（2）若玩偶两只手臂同时接触火线，发现玩偶没有任何反应。这说明：人若两只手同时拿一根火线，而身体的其他部位与零线、大地等绝缘时，人仍不会触电。由此现象可以解释小鸟双脚站在同一根输电线上，而身体与其他输电线保持绝缘时，便不会触电的原因，解释电工有时带电操作也不会触电的原因。

（3）若玩偶的一只手臂与火线接触，另一只手臂与零线接触，此时蜂鸣器发出警报声，LED灯带亮起。说明：虽然人与地绝缘，但是两只手分别与火线、零线相接触，就会发生触电事故，这就是双线触电的情况。

由以上双线触电的情况，让学生明白：在家庭电路中不能同时接触零线和火线;在发生双线触电时一定要用绝缘体将触电者双手分開或切断电源。

（4）若玩偶一只手臂与火线接触，另一只手臂与墙壁接触，蜂鸣器发出警报声，LED灯带亮起。说明：虽然人与地绝缘，但一只手与火线接触，另一只手与墙壁接触，人也会触电。这是单线触电的情形之一。

（5）若玩偶一只手臂与火线接触，任意一只脚与地面接触。蜂鸣器发出警报声，LED灯带亮起。这说明：人若站在地上，一只手与火线接触，人就会触电。这是单线触电的情形之二。

由以上单线触电的两种情况，要让学生明白：在接触家庭电路之前一定要在脚下垫一个绝缘的物体;当发生单线触电时需要用绝缘体将触电者的手与火线分开或是切断电源。

低压触电演示仪在使用时能够直观、形象、生动地模拟出低压触电的各种情况，加深学生对低压触电的理解，同时可以充分调动学生的积极性，能够让学生自主探究各种接触情形下触电及不触电的原因。利用6 V电压模拟220 V的家庭单路电压，实验过程安全，实验效果直观。

2    高压触电演示仪

2.1    高压触电演示仪的设计

高压触电演示仪（如图4），主要材料有：开关电源一个，高压包一个，ZVS驱动电源一个，羊角电极一个，模拟跨步电压电场，小玩偶一个，学生电源一个，亚克力罩一个，分压电阻四个，导线及裸导线若干。

1-跨步电压电场;2-小玩偶;3-示教板;4-羊角电极;

5-高压包;6-ZVS驱动电源;7-开关电源

高压触电演示仪主要用于演示跨步电压触电现象和高压电弧放电两种情况。利用环形裸线圈模拟高压电线落到地面时形成的电场，主要通过串联电阻的分压原理来改变小玩偶两端的电压，从而控制电流的大小[3]。小玩偶只要双脚之间存在电压，蜂鸣器便会发出报警声，双脚上的LED灯带发光，从而模拟出跨步电压触电的场景。小玩偶双腿跨度大时，LED灯亮度高，蜂鸣器发出的声音大，对应人体双脚之间电压高时触电严重的情况;小玩偶双腿之间跨度小时，LED灯亮度低，蜂鸣器发出的声音小，对应人体双脚之间电压低时触电轻微的情况。跨步电压电场原理如图5所示。

此外，在教室中观察到高压电弧是比较困难的。本教具利用开关电源将家庭电路中输入220 V的交流电转化为24 V的直流电，再通过ZVS驱动电源将直流电转化为交流电，通过高压包升压，最后通过羊角电极放电产生电弧，让学生观察到高压电弧放电现象。

2.2    高压触电演示仪的使用及效果

2.2.1    跨步电压触电

在使用时，将学生电源调至6 V，正极与环形线圈最外面一圈相连，负极与中间一圈相连，这时环形线圈便带电了。

（1）刚开始，玩偶悬挂于板面之上，身体任何部位都与地面绝缘，此时蜂鸣器没有工作，LED灯带不亮。这说明：若有一根输电线掉在地上，只要人与地面保持绝缘，人就不会触电。

（2）若玩偶任意一只脚与环形线圈接触，发现蜂鸣器未有反应。这说明：在落地电线附近，人若单脚着地，一般不会发生触电事故。

（3）若玩偶两只脚同时踩在同一线圈上，发现蜂鸣器和灯带都没有反应。这说明：在落地电线附近，人若双脚并拢站在同一“点”上，亦即两脚与落地电线距离大致相等，不会触电。

（4）若玩偶两只脚踩在不同线圈之间，发现蜂鸣器发出警报声，LED灯带亮起来。这说明两脚之间存在跨步电压，人是会触电的。

通过以上跨步电压触电现象的展示，让学生明白：当有高压电线掉落在地面时，不能靠近电线掉落的区域;当发生跨步电压触电时，一定要双脚并拢或单脚着地跳出电场区域。高压触电实验仪效果图如图6所示。

2.2.2    高压电弧触电

在演示高压电弧放电现象时，将开关电源接入220 V的家庭电路中，利用开关电源将家庭电路中输入的220 V交流电转化为24 V的直流电，再通过ZVS驱动电源将直流电转化为交流电，通过高压包升压，最后通过羊角电极放电产生电弧。在教室中演示高压电弧触电时有一定的危险，此时在羊角电极外加装一个透明的亚克力保护盒，保证在实验时的安全。

通过以上高压电弧放电现象的观察，让学生明白：人在未接触到高压带电体时也可能触电，原因是高压带电体周围会产生高压电弧，日常生活中一定要远离高压带电体，避免高压电弧触电。

本实验仪能够演示高压触电的两种情况：演示跨步电压触电时，利用6 V的低压电源模拟出高压电，实验过程非常安全，又能将跨步电压电场模拟出来，加深学生对电场的了解;在演示高压电弧放电现象的过程当中，伴随着电弧放电时的现象和声音，实验效果很好，能夠从视觉和听觉两个方面来加深学生对高压电弧触电的理解。

《安全用电》一节在人教版初中物理教材中并没有设计实验，只是用简单的几张图片进行说明，知识要点比较抽象，学生对触电的概念难以理解。通过自制的模拟触电演示仪来设计相关实验，具有较强的综合性，能将高压触电和低压触电的常见情形进行演示;能够简单、直观、形象地呈现出物理实验过程和结果。通过对本节知识的实验创新和教具制作，不仅丰富了现有中学物理教具，而且加强了实验教学在日常物理教学中的应用。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012：1.

[2]赵桐春.记“用电常识”一章教材的教学[J].物理通报，1966（5）：226-227.

[3]张绍能，肖春梅，谢帮友.触电类型模拟演示教具的创新设计与制作[J].实验教学与仪器，2015，32（10）：48-50.

（栏目编辑    王柏庐）