自制學科教具的兩個研究實例摘要：利用廢舊黑白電視機的磁場偏轉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，利用電阻模擬遠距離輸電線，來模擬遠近距離高低壓輸電的不同效果。關鍵詞：聲音三要素，電視機改裝、放大電路，改裝示波器，遠程高低壓輸電，高低壓輸電理論演算。引言：在學科教學的過程中，觀察和實驗是學生學習的基礎，也是很多學科教學的重要手段，所有學科實驗的開展都離不開合適的實驗裝置，因此，開發(fā)研究制作實驗教具，對師生的動手操作、合作創(chuàng)新等素養(yǎng)的養(yǎng)成有著積極的促進作用；對豐富課堂教學和完善教學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、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、音色之間的關系，同學們雖然對這些方式有所了解，但對這些方式的具體構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，實驗室也僅配備了簡易示波器，并沒有話筒放大和音頻輸入設備，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難題。2.具體制作（1）方案的設計用改裝后的黑白電視機作為波形顯示的主要媒介，加入藍牙音頻輸入、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、所需器材可以點亮的黑白電視機一臺、d類10w以上音頻功率放大器一套、藍牙音頻播放器一塊、動圈麥克風前置放大器一塊、動圈話筒一支、100k歐電位器一個、導線若干。B、改裝前的設想根據(jù)示波器和crt電視機的工作原理分析，兩者有很多相似之處，區(qū)別在于電視機和示波器中電子的運動原理不相同：電視機中電子是靠磁場來完成掃描運動的；而示波器中電子是靠電場來完成掃描運動的，偏轉原理基本相同，因此，可以進行試驗改裝。C、具體改裝方法拆開黑白電視機，找到偏轉線圈。如下圖所示：我們可以看到偏轉線圈有四個焊點接頭：兩根行偏轉和兩根場偏轉，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，阻值稍大的為場偏轉。斷開行偏轉，開機可以觀察到屏幕中間亮起一條豎直的亮線松開偏轉線圈組件，將整個組件順時針或者逆時針旋轉90度，使豎線變?yōu)闄M線。將斷開的行偏轉線妥善處理，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線圈上，8610電源端接在電視機內的12伏開關電源上。再把藍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，藍牙模塊通過7805，降壓為5伏接入藍牙模塊；話筒前置放大模塊可直接接入機內12伏開關電源上：3.整體組裝根據(jù)各自工作特點，合理安排安裝位置，把以上四個部分組裝到黑白電視機內的適當位置上，就組合成了聲音的三要素演示教具。成品如下：4.具體實驗演示操作（1）藍牙音頻波形分析演示手機和本裝置進行藍牙配對，在手機播放器中播放有關樂器或人聲音頻，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，得出相應結論（振幅決定響度、頻率決定音調、波的形狀決定音色）。（2）麥克風輸入聲音波形分析演示把動圈話筒插入話筒插座，幾位同學對著話筒說相同的話，比較不同同學聲音的三要素；也可以用不同音叉等在話筒前敲擊，觀察波形，得出相應結論（振幅決定響度、頻率決定音調、波的形狀決定音色）。5.創(chuàng)新點（1）采用電視機改裝示波器的辦法，增加了廢物的利用。（2）兩種輸入形式相結合，實時觀察波形，課堂效果好。（3）采用藍牙音頻輸入，能觀察多種網(wǎng)絡音頻的波形，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難題。2.具體制作（1）方案的設計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，近戶端直接接入此12v，遠戶端通過R1為10歐姆的電阻接入此12v。遠程高壓輸電：將k1和k2都置于下方時，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，接入遠戶端。（3）具體制作所需器材：220v——12v30w變壓器三只、雙刀雙擲開關兩只、船型開關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、1.5平方紅綠導線若干、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，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，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，導線電阻小，近戶端基本不受影響，而遠戶端通過串聯(lián)10歐姆電阻接入，用戶和導線的電阻形成串聯(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?shù)?只燈泡接入時：U戶1=I1*R1=【U/(R1+R導線)】*R1=【12v/(48Ω+10Ω)】*48Ω≈9.9v當?shù)?只燈泡接入時：U戶2=I2*R2=【U/(R2+R導線)】*R2=【12v/(24Ω+10Ω)】*24Ω≈8.5v當?shù)?只燈泡接入時：U戶3=I3*R3=【U/(R3+R導線)】*R3=【12v/(16Ω+10Ω)】*16Ω≈7.4v……根據(jù)以上演算，得出的結論是：用戶數(shù)量越多，遠戶端的電壓就越低。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?shù)?只燈泡接入時：P線1=I12*R導線=【U/(R1+R導線)】2*R導線=【12v/(48Ω+10Ω)】2*10Ω≈0.4w當?shù)?只燈泡接入時：P線2=I22*R導線=【U/(R2+R導線)】2*R導線=【12v/(24Ω+10Ω)】2*10Ω≈1.2w當?shù)?只燈泡接入時：P線3=I32*R導線=【U/(R3+R導線)】2*R導線=【12v/(16Ω+10Ω)】2*10Ω≈2.1w根據(jù)以上演算，導線消耗的功率，隨著用戶的增多而變大。……通過上述的演示現(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，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)電站遠的用戶，必須采用高壓輸電，才能滿足遠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：當輸電線的電阻R不可更改時，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