对家庭电路演示实验的研究和改进

李 昂

对家庭电路演示实验的研究和改进

李 昂

一、实验创新背景

家庭电路是北京师范大学版九年级物理教科书第十一章第五节内容，主要是研究家庭电路的组成、连接以及各个组成部分的作用。这一节的内容与学生的实际生活联系紧密，与生活中的用电安全息息相关，学生除需了解家庭电路的连接原则之外，更应理解其中的道理，以提高安全用电意识。

教科书中并未出现关于家庭电路的演示实验，只是给出了一幅家庭电路的连接图(如图1所示)。经过查阅，家庭电路演示实验的传统器材是由电能表、开关、保险、灯泡、插座等元件连接而成，并固定于演示板上(如图2所示)，使用时，火线与零线之间加以220 V交流电压进行演示。

图1 教科书的连接图

图2 传统器材

但是，传统器材也存在着一些不足，如：

(1)传统器材使用220 V交流电压，电压较高，学生操作时存在安全隐患。

(2)电路中各元件均固定在演示板上，无法拆卸、交换位置，学生只能通过观察了解正确的连接方式，但并不能理解这样连接的原因，以及错误连接方式带来的问题或危险。

(3)保险丝是隐藏于保险盒盖内部的，保险丝熔断时，学生无法及时地观察到这一现象。

针对以上问题，笔者对传统器材进行了一些改进，改进内容如下：

(1)用变压器将220 V交流电转换为12 V直流安全电压，教师、学生都可安全操作。

(2)自制保险盒模型，将保险丝外露，便于学生进行观察，便于教师进行操作。

(3)电能表、闸刀开关、自制保险盒背面固定上螺丝，便于拆装和交换位置。

(4)连接灯的火线和零线预留接口(如图3所示)，便于将开关先后接在零线、火线上进行演示；开关选用单刀开关，相对于生活中的拉绳开关，学生更容易观察到开关的状态。

图3

二、实验创新作品设计与研制

1.家庭电路连接原则

(1)进户线是家庭电路的电源，进户线之后依次安装电能表、闸刀开关、保险盒，然后再连接各用电器。

(2)灯泡的开关接在火线上。

(3)灯泡的螺口与零线相连，灯头与火线相连。

(4)插座连接原则为“左零右火”，三孔插座需要接地。

2.实验作品研制

(1)制作材料

本实验的制作材料容易获得，大多来自实验室，而且成本较低、容易购买。

①AC-220V转DC-12V变压器，最大电流10.5 A，用于低压直流输出。②电能表1个、闸刀开关1个、插座1个。③12 V-18 W节能灯2只，12 V-60 W灯泡1只。④实验室用单刀开关2个，作为灯泡开关。⑤6～24 V汽车试电笔1支，用于检测电路。⑥5 cm×15 cm薄木板1块，螺钉、螺母、垫片、保险丝若干，用于自制保险盒。⑦红色、蓝色、黄绿相间色导线若干，作为火线、零线、地线。⑧尼龙拉带若干，鳄鱼夹若干，用于固定导线、连接导线。⑨75 cm×75 cm薄压缩板1块，铁皮、铁管若干，用于制作演示板及支架。

(2)主要制作工具

电钻、老虎钳、剥线钳、改锥、扳子、试电笔、刻度尺、剪刀、锯、电烙铁、绝缘胶带。

(3)制作方法

①设计电路、布线。根据各元件的大小、数量设计电路，将设计图画在压缩木板上，并用电钻沿导线所在路径间隔10 cm打孔。由于电能表、闸刀开关、电灯开关等电路元件需用螺钉悬挂在演示板上，故在演示板上对应各元件的适当位置打孔。

红色导线作为火线，蓝色导线作为零线，按照线路图布线，并预留出安装电能表、闸刀开关、保险丝、电灯、电灯开关、插座等元件的位置。用尼龙拉带穿过压缩板的小孔(如图4所示)，将导线固定在压缩板上。

图4

②改装变压器。将变压器的12 V输出接口剪掉，将两根导线分别接上鳄鱼夹，用电压表测出变压器输出端的正、负极，分别缠上红色、黑色绝缘胶带，以便区分(如图5所示)。

图5

③改装电能表、闸刀开关。将电能表、闸刀开关两端接上适当长度的导线，将线头剥皮1 cm(如图6所示)。再将电能表、闸刀开关的背面安装上螺丝并固定好，用于悬挂。

④自制保险盒。由于家用保险盒是将保险丝置于保险盒盖内侧，所以在演示过程中操作不方便，学生也观察不到现象。为解决这个问题，本设计采用自制保险盒模型，将保险丝外露，便于操作和观察。

首先在一块约6 cm×15 cm薄木板的适当位置上打5个孔，其中上端一个，用于悬挂螺钉；中间位置2个，下端2个，用于制作接线柱。然后将5个螺钉分别穿过每个小孔，用螺母和垫片把每个螺钉牢牢固定在木板上，再分别装上红色、黑色的接线柱各2个，最后装上保险丝和连接用的导线(如图7所示)。

图7

⑤改装2个电灯开关。将单刀开关两端打孔，分别装上螺丝用于悬挂。再将每个接线柱接上一小段导线并固定好。两个开关中，一个安装红色导线，用于接在火线上，另一个安装蓝色导线，接在零线上(如图8所示)。

图8

⑥安装两个灯座，其中一个螺口接零线，并在螺口处缠绕上蓝色胶带以示零线；另一个灯座螺口接火线，在螺口处缠绕红色胶带以示火线(如图9所示)。

图9

⑦安装插座。将插座与布好的导线连接，并连接“地线”(实际并不接地，仅做演示)，接地的一端在演示板上画上接地符号。用螺丝和螺母将插座固定在演示板上。

⑧将电能表、闸刀开关等元件悬挂在线路板上，用鳄鱼夹把各部分元件的导线连接起来(如图10所示)，检查电路后通电进行调试。

图10

三、实验创新作品在教学中的使用

1.实验教学内容

检查电路连接，无误后接通电路，然后进行演示。

(1)演示电灯开关需安装在火线上。将开关接在零线上，断开开关，灯不亮，给人们一种灯并不带电的假象。但是用试电笔测得灯泡裸露在外的螺口部分依然带电(如图11a所示)，人一旦不小心触碰到，就可能触电。

图11

将开关改接在火线上，断开开关，灯不亮。用试电笔测得灯泡的螺口并不带电(如图11b所示)，这种连接方法对人是比较安全的。

(2)演示灯泡的螺口应接在零线上。将灯座的螺口与火线相连，闭合开关，灯亮。用试电笔测得灯泡的螺口部分带电(如图12a所示)，容易使人触电。

图12

将灯座的螺口与零线相连，闭合开关，灯亮。用试电笔测得灯泡螺口部分不带电(如图12b所示)，所以将灯座螺口与零线相连比较安全。

(3)演示插座“左零右火”的连接。用试电笔测出插座的接线方法为“左零右火”。

(4)演示保险丝熔断。实验中使用保险丝规格为3 A，另配有一只12 V-60 W的灯泡。将灯泡装上后，闭合开关，灯泡先亮一下，然后突然熄灭。用试电笔按照进户线、电能表、闸刀开关、保险盒的顺序检查电路，发现电路发生断路的原因是保险丝熔断了。查明故障后，可重复实验一次，并借助实物投影，将保险丝局部放大，帮助学生更好地进行观察。

(5)演示闸刀开关与保险盒的连接顺序。闸刀开关的作用是控制整个家庭电路，保险盒中装有保险丝，作用是保护电路，保险丝熔断后需要进行更换。家庭电路中，闸刀开关和保险盒的安装顺序是有要求的。

将保险盒置于闸刀开关之前，将闸刀开关断开后，虽然各用电器与电源断开了，但是由于闸刀开关位于保险盒之后，并不能控制保险盒。用试电笔测得保险盒的火线依然带电(如图13a所示)，这样人们在更换保险丝时很可能会触电。

图13

将保险盒置于开关之后，开关断开后，用试电笔测得保险盒中的火线、零线均不带电(如图13b所示)，人们在更换保险丝时不会有危险。

(6)演示电能表与闸刀开关的连接顺序。尽管闸刀开关是家庭电路的总开关，也不能将之安装在电能表之前。原因如下：

将闸刀开关置于电能表之前，闸刀开关断开后，电能表不带电，所以人们可以将电能表拆下，用导线来代替，用电器虽可以正常工作(如图14所示)，但这是偷电的行为。若将电能表置于闸刀开关之前，开关断开后，电能表依然带电，能够避免不法分子进行偷电。

图14

综上所述，电能表、闸刀开关、保险盒必须按照顺序安装，这样才能保证人身安全、合法地用电。

(7)演示闸刀开关倒置的错误

闸刀开关正确安装时，闸刀向上推为闭合，向下拉为断开。将闸刀开关倒置后正好相反，向上推为断开。断开后，闸刀可能会由于重力作用而下落，甚至将开关闭合也无法起到断开电路的作用，从而带来危险。

(8)演示零线断路故障

将进户线的零线断开，闭合闸刀开关和灯的开关，灯不亮，但是用试电笔测得灯是带电的，而此时电路中的零线也是带电的，所以零线并不一定是绝对安全的。

2.教学中使用的效果

在家庭电路一节的教学中，本设计能够演示较为丰富的内容，无论是最基本的电路连接，还是家庭电路中常遇到的一些问题和故障，学生都可以亲眼见到。而本设计不但能够给学生展示正确的连接方式，还能够引导学生去思考这些连接原则背后的道理，学生可以通过观察、思考、讨论，更深刻地理解这些知识。

本设计采用了12 V直流电源代替家庭电路的220 V交流电，更加安全，不但教师可以操作，学生也可以亲自动手研究，课堂上教师和学生一起动手，一起探讨，活跃了课堂气氛，提高了学生学习的积极性。

3.使用时应注意的问题

(1)教师需向学生说明，本实验为模拟实验，是用12 V直流电代替220 V交流电进行实验。演示板中的线头、开关都有裸露的金属，实验中触碰虽然安全，但在家庭电路中绝对不能如此操作，容易触电。另外，在改装电路时，必须断开闸刀开关或直接切断电源，检查无误后再通电，以免发生短路等故障。

(2)本实验用直流电代替交流电，所以实验电路中并没有真实的零线、火线。电路中的红色导线实际连接电源正极，模拟火线，蓝色导线连接电源负极，模拟零线。

(3)由于本实验使用12 V直流电，所以生活中常用的试电笔并不适用。本实验采用6～24 V直流试电笔，使用时将笔尾的金属体用导线与电源负极相连即可。

(4)连接电路和进行实验的过程中，变压器输出端的两个鳄鱼夹要分开一定距离，可以夹在绝缘线路板上，以免发生短路。

(5)本实验的灯泡、节能灯等用电器的额定电压均为12 V，需另行购买。

四、实验创新作品展望

在实验创新作品的研制过程中，困扰笔者最大的问题就是各个元件的组装与连接。

为了方便交换电能表、闸刀开关、保险盒的位置，笔者在这些元件的背面装上螺丝，悬挂在线路板预留的小孔上，又先后尝试用带插头的细导线(如图15所示)和带鳄鱼夹的细导线(如图16所示)来连接这些元件。这种安装方法虽然操作方便，但元件会有晃动，细导线接头的地方也不牢固，时有接触不良的现象，影响实验进行。

图15

图16

最终，笔者选用不易损坏的硬质粗导线，直接使用鳄鱼夹夹住两根导线的线头来进行连接(如图17所示)。这种连接方法解决了导线易损坏的问题，延长了导线的使用时间，不过带来的问题是：演示实验的过程中，连接、改装电路的操作比较烦琐，学生等待的时间较长。

图17

纵观这几种连接方法，虽然都能够达到改变元件位置的目的，但实际操作中并不方便。笔者设想，可以将本实验与面包板相结合，插头插入面包板，既能起到固定元件的作用，又能起到连接元件的作用。而实验操作时即插即用，既能够避免损坏导线，还能在很大程度上缩短改装电路的时间，从而减少学生的等待时间，提高课堂效率。

2012-02-20

李昂，本科，中教二级。

北京市石景山区实验中学。