第5节 跨学科实践：制作简易调光台灯

第5节跨学科实践：制作简易调光台灯物理观念：1．知道变阻器的构造与使用，了解调光台灯电路的工作原理。2．将利用变阻器改变电路中电阻的方式应用于生活中设计创意作品。3．通过设计和制作调光台灯，激发学生的学习兴趣和求知欲望，培养学生的动手能力和创新意识。4．通过应用变阻器的知识，设计和制作调光台灯，促进交流合作的能力，发展逻辑思维能力。科学思维：进一步巩固本章的电学知识，熟练掌握电阻器、变阻器的相关内容，能够根据要求运用学过的知识设计并连接电路。科学探究：通过制作简易的调光台灯，了解简单电路的设计思路和程序，通过不断改进电路，培养辩证思维能力。科学态度与责任：通过电路的设计，再到电路的改进，以及电路的连接这一系列的过程，培养发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力。重点：引导学生设计出电路、怎样控制调光台灯的亮度。难点：实验器材规格的选取、确保电路安全所采取的保护措施。一、情景导入当人们在台灯下看书时，若感觉灯光太亮，有点刺眼，可以通过调光装置改变台灯的亮度。调光台灯是一种能够根据需要调节光照亮度的台灯。在现代生活中，台灯是常见的照明设备之一，调光台灯的制作可以实现灯光的亮度调节，可以提供一个舒适的照明环境。下面我们就设计与制作一个可以调节灯光亮度的调光台灯。二、合作探究设计台灯【阅读课本】P87“项目实施1.设计台灯”。【思考】选择哪种光源？【提示】实验室用的小灯泡、发光二极管。【思考】怎样改变光源的亮度？【提示】选择变阻器与灯泡串联，利用变阻器改变电路中的电阻，从而改变灯泡两端的电压，由此改变灯泡的亮度。【思考】怎样设计一个简单实用的调光台灯电路？【提示】选择合适的电源、小灯泡、滑动变阻器和开关，设计好一个串联的电路如图(电源电压和小灯泡的规格要匹配)。【思考】如何设计支架和灯罩？【提示】画出设想中台灯的草图，各个器件要安排紧凑，使台灯美观、结实，便于移动。尽量选用方便易得的材料作为台灯支架，使做出的台灯能稳定地立在桌上。灯罩需要具有较好的反光性能。制作台灯【阅读课本】P88“项目实施2.制作台灯”和“展示交流”。【要求】1.调光灯的亮度可以连续调节。2.注意安全，在调节过程中要避免烧坏灯泡。3.牢固、美观。1．材料准备：电池盒、小灯泡、开关、电位器、灯座、导线、灯罩、金属(或塑料)管、绝缘胶带等。2．制作步骤(1)如图是一位同学制作的简易调光台灯。他把电池盒、开关、电位器固定在一个底座上，找一根金属(或塑料)管，管的一端固定小灯泡，使小灯泡的导线从管中穿过，管的另一端也固定在底座上，使用绝缘胶带进行绝缘处理，防止短路。(2)制作一个灯罩，扣在小灯泡上。闭合开关，调节电位器，观察小灯泡的亮度变化。(3)美化调节台灯：根据个人喜好，对台灯进行美化。可以用彩纸、贴纸等对底座和灯罩进行装饰。3．展示交流(1)展示自己制作的调光台灯，介绍自己是如何调节电位器实现灯泡亮度的变化。(2)谈谈自己制作的调光台灯的工作原理，分享制作的心得，提出可改进的方案。带着强烈的好奇心和探究欲望探讨如何再制作出特殊的调光台灯。(3)与大家的交流中，总结器件组装过程中的经验教训和解决办法，总结操作过程中电路安全保护措施有哪些。反思自己对变阻器知识的理解和应用能力，反思跨学科实践中个人知识结构对动手操作能力的作用。第5节跨学科实践：制作简易调光台灯1．滑动变阻器(电位器)的构造与使用。2．变阻器的工作原理。3．设计台灯、设计电路图。4．制作台灯(1)材料准备(2)制作步骤(3)展示交流跨学科实践活动能够将物理和生活、技术等密切联系在一起，利用这些活动有助于对学生进行素质教育。跨学科实践活动是一种基于物理知识和科学方法的项目学习活动，经历全程的探究和设计，有利于学生对科学探究的理解，提升科学探究的能力。通过本次简易调光台灯的制作，有助于提高学生的动手能力，激发学生的求知欲望；有助于学生进一步理解变阻器的原理及使用方法，进一步理解电路中的I与U和R的关系，为后续章节的学习打下坚实的基础。综合训练一、选择题(本大题共10小题。下列各题给出的四个选项中,只有一项符合题意)1.在倡导“节能环保”“低碳生活”的今天,我们应尽量减少下列哪种能源的使用()A.水能 B.石油 C.风能 D.太阳能2.下列关于信息的传递的相关知识错误的是()A.电磁波在真空中也可以传播,所以航天员在月球上可以利用电磁波来通信B.移动电话既是无线电发射台又是无线电接收台,它利用电磁波传递信息C.在地球周围均匀配置2颗地球静止卫星,就可以实现全球通信D.光从光导纤维的一端射入,在内壁上多次反射,将信息传到远方3.下列电路图中,开关S闭合后,两个电阻并联的是()4.实验中绘出了小灯泡的电流与电压关系的U-I图像如图甲所示,则图乙中有关此小灯泡功率P与U2或P与I2的图像可能正确的是()甲乙5.电磁铁被广泛应用于生产、生活中,下列产品中没有用到电磁铁的是()6.下列实验装置与探究内容不相符的是()7.能源科技的发展促进了人类文明的进步,关于能源和材料,下列说法错误的是()A.化石能源的大量使用带来了酸雨、雾霾、温室效应等环境问题B.提高能量转化利用中的效率是解决节能问题的重点之一C.超导材料不能应用在电饭锅等电器上D.铜是磁性材料,可以被磁化8.两个相同的容器分别装了质量相同的甲、乙两种液体。用同一热源分别加热,液体温度与加热时间关系如图所示,则()A.甲液体的比热容大于乙液体的比热容B.如果升高相同的温度,两液体吸收的热量相同C.加热相同的时间,甲液体吸收的热量大于乙液体吸收的热量D.加热相同的时间,甲液体温度比乙液体温度升高得多9.下列有关图甲、乙所示的实验现象说法正确的是()甲乙A.图甲演示的是电流的磁效应现象B.图乙演示的现象与扬声器原理相同C.甲、乙两图演示的现象说明电能生磁,磁也能生电D.图乙中,导体ab只要运动就能在电路中产生感应电流10.有两个电路元件A和B,流过元件的电流与其两端电压的关系如图所示,下列说法正确的是()A.A的电阻值为6.25ΩB.A和B串联,电路中电流为0.4A时,A、B的电功率之比为5∶4C.A和B并联在电压为2.5V的电源两端,A、B的电功率之比为5∶4D.当A和B串联,两者电阻相同时,电源电压为3.0V二、填空题11.工厂里的冷却塔大多用水作为冷却物质,是因为水的较大;在古代,人类学会了钻木取火的方法,这是利用的方式改变物体的内能。

12.两只电阻之比R1∶R2=3∶5,把它们串联在某电路中,则通过的电流之比I1∶I2=;消耗的电功率之比P1∶P2=。

13.某同学家中的电能表如图所示,现用它测量一只灯泡的实际功率。他关掉其他电器只让该灯泡工作,电能表转盘转过30r用时10min,这段时间灯泡消耗的电能是kW·h,灯泡的实际功率是W。

14.一个空心小铁球放在盛水的水槽中置于铁棒AB的上方,绕在铁棒上的线圈连接在如图所示的电路,开关S闭合后,空心小铁球仍漂浮在水面上,此时A端为电磁铁的极,将滑片P向左滑动,空心小铁球所受浮力(选填“增大”“减小”或“不变”)。

15.如图所示,R1的阻值为5Ω,滑动变阻器R2的最大阻值为40Ω,电源电压保持4.5V不变,电流表量程为0~0.6A,电压表量程为0~3V。为保证电路安全,R2接入电路中的最小阻值为Ω,R1消耗的最小功率为W。

三、作图题16.请用笔画线代替导线,将图中的开关、节能灯正确接入家庭电路中。17.如图所示,电路连接正确,开关闭合后小磁针静止时指向如图所示,请在图中标出通电螺线管磁极、电源的正负极,并画出螺线管的绕法。四、实验题18.某小组在测量小灯泡电功率的实验中,备有器材的规格如下:电源电压恒为6V,小灯泡的额定电压为2.5V,电阻约为10Ω,滑动变阻器A的规格为“10Ω1A”,滑动变阻器B的规格为“50Ω2A”。(1)用笔画线代替导线,将图甲的电路连接完整,要求滑动变阻器滑片P向右滑动时小灯泡变亮。(2)该组同学选用的滑动变阻器应是(选填“A”或“B”)。

(3)闭合开关后,发现小灯泡不亮,电流表无示数,电压表有示数,则故障可能是。

(4)通过小灯泡的电流随它两端电压的变化如图乙所示,分析图像可知,小灯泡的额定功率为W;小组同学分析图像后发现:通过灯泡的电流与其两端电压不成正比。形成这一现象的原因是。

(5)他们想继续探究电流与电压的关系,请你帮他们设计一个实验电路,将电路图画在图丙的虚线框中。五、综合题19.如图所示的电路中,电阻R'的阻值为50Ω,滑动变阻器R的最大阻值为100Ω,电源电压10V保持不变。闭合开关,求:(1)当P移至a端时,电阻R'消耗的功率;(2)当P移至b端时,电路中的电流大小和通电2min产生的热量。20.图甲为一款利用高温水蒸气熨烫衣服的便携式挂烫机,它的正常工作电压为220V。水箱最多装水0.3kg,加热功率有大小两个挡位。设计师最初设计的内部电路有图乙、丙两种接法,其中电热丝R1=56Ω,R2=44Ω。甲(1)高温水蒸气熨烫衣服时,水蒸气遇到衣服迅速(填物态变化名称)成小水珠,放出热量,将衣服熨平。

(2)如果选择乙电路,电路中最大电流为A;如果选择丙电路,电路中最大电流为A。由于两个电路中所选熔断器里的熔丝允许通过的最大电流为8.2A,故设计师最终选择了乙电路。(计算结果保留一位小数)

(3)请分别计算这款挂烫机两个挡位的额定功率。(4)若将水箱中质量为0.22kg的水从25℃加热到100℃,挂烫机至少需要加热多长时间?[水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃)]课后测评1.B水能、风能、太阳能取之不尽、用之不竭,而且不会对环境产生影响,现在科学技术的进步也很容易转化为其他形式的能;煤炭、石油、天然气属于化石能源,属于不可再生能源,并且在使用时会产生废物、废气污染环境,与节能环保、低碳生活不相符。2.C月球上没有空气,表面是真空,电磁波可以在真空中传播,所以航天员在月球上可以用电磁波来通信,故选项A正确,不符合题意;移动电话既是无线电发射台,又是无线电接收台,它利用电磁波传递信息,故选项B正确,不符合题意;要实现全球通信(除两极外),在地球周围均匀地配置3颗地球静止卫星就可以,故选项C错误,符合题意;激光在传输过程中,从光导纤维的一端射入后,在光导纤维内壁上要发生多次反射,并从另一端射出,这样就把它携带的信息传到远方,故选项D正确,不符合题意。3.C选项A,两个电阻顺次连接,因此该电路为串联电路;选项B,开关闭合,导线对上面的电阻短路,只有下面的电阻连入电路;选项C,两个电阻并列连接,因此该电路为并联电路;选项D,开关闭合,会对电源短路,烧坏电源,两个电阻不能工作。4.D由题图甲可知,电阻随着电压和电流的增大而增大。由P=U2R可知,在P-U2图像上某点与原点连线相对于横轴的倾斜程度反映了该点电阻的倒数,因随电压变大,电阻的倒数会变小,故选项A、B错误。由P=I2R可知,在P-I2图像上某点与原点的连线相对于横轴的倾斜程度反映了物体在该点电阻的大小,因小灯泡的电阻随电流的增大而增大,故其倾斜程度应越来越大,故选项C错误5.B磁浮列车应用同名磁极相互排斥的原理,应用了电磁铁,故选项A不符合题意。台灯是利用将电能转化为光能工作的,没用到电磁铁,故选项B符合题意。老式电话机应用了电磁铁的原理,故选项C不符合题意。通电时,电磁铁有电流通过,电磁起重机产生了磁性,当电路断开时,电磁铁失去了磁性,应用了电磁铁,故选项D不符合题意。6.B选项A,据小磁针偏转的情况可以判断磁极间的作用规律,故不符合题意;选项B,该实验是探究电磁铁磁性的强弱与线圈匝数的关系,即电流一定时,匝数多的电磁铁磁性强,故符合题意;选项C,据奥斯特实验可知,通电导线周围存在着磁场,故不符合题意;选项D,此时是闭合电路,且导体做切割磁感线运动,能产生感应电流,故不符合题意。7.D化石能源的大量使用带来了环境问题,如二氧化碳造成的“温室效应”,二氧化硫等造成的酸雨,燃烧时产生的浮尘等,故选项A正确,不符合题意;提高能量转化利用中的效率是我们当前解决节能问题的重点之一,故选项B正确,不符合题意;电饭锅等电器是利用电流的热效应进行工作的,使用超导材料时电饭锅等电器就无法工作,故选项C正确,不符合题意;铁、钴、镍等物质是磁性材料,铜不是磁性材料,不可以被磁化,故选项D错误,符合题意。8.D由Q=cmΔt得c=QmΔt,由图像知,等质量的甲、乙两液体加热相同时间即吸收相同热量,甲升高的温度高,故c甲<c乙;升高温度Δt相等时,Q甲<Q乙;Q甲=Q乙时,Δt甲>Δ9.C题图甲中有电源,是电动机原理图,利用了通电导体在磁场中受力运动的原理,不是电流的磁效应,A错误;题图乙中,当金属棒ab在磁场中做切割磁感线运动时,电路中就会产生感应电流,是电磁感应装置,而扬声器是利用通电导体在磁场中受力运动的原理制成的,题图乙演示的现象与扬声器原理不相同,B错误;题图甲说明通电导体的周围产生磁场,该磁场与磁体的磁场相互作用产生力,说明电能生磁,题图乙为电磁感应现象,说明磁也能生电,C正确;题图乙中,导体ab只有做切割磁感线运动,才能在电路中产生感应电流,D错误。10.C由图像可知,当通过A的电流IA0=0.4A时,A两端的电压UA0=2.0V,由I=UR可得,A的电阻值RA=UA0IA0=2.0V0.4A=5Ω,A错误;A和B串联,电路中电流为0.4A时,由图像可知,两元件两端的电压UA=2.0V,UB=2.5V,因串联电路中各处电流相等,所以,通过两元件的电流IA=IB=0.4A,由P=UI可得,A、B的电功率之比PAPB=UAIAUBIB=UAUB=2.0V2.5V=45,B错误;A和B并联在电压为2.5V的电源两端时,由图像可知,通过两元件的电流IA'=0.5A,IB'=0.4A,因并联电路中各支路两端的电压相等,所以,两元件两端的电压UA'=UB'=2.5V,则A、B的电功率之比PA'PB'=UA'IA'11.答案比热容做功12.解析通过串联电路的电流处处相等,两电阻串联,通过两电阻的电流之比I1∶I2=1∶1;两电阻消耗的电功率之比P1答案1∶13∶513.解析每消耗1kW·h的电能,电能表的转盘就转过3000r,电能表的转盘转过30r消耗的电能为W=30r3000revs/(kW·h)=0.01kW·h=3.6×104J,而t=10min=600s,灯泡的实际功率为P答案0.016014.解析电流由A流向B,由安培定则可知螺线管B端为N极,则A端为S极(南极);当滑片向左移动时,滑动变阻器接入电路的电阻减小,由欧姆定律可知电路中电流增大,则螺线管的磁性增强,故小铁球所受磁力增大;小铁球受重力、磁力及浮力作用,因小铁球处于静止状态,故向下的磁力与重力之和应等于向上的浮力,因磁力增大,故浮力也将增大。答案S(南)增大15.解析由电路图可知,滑动变阻器R2与电阻R1串联,电压表测量滑动变阻器R2两端的电压,电流表测量电路总电流,当电流表示数最大为I1=0.6A时,滑动变阻器接入电路的电阻最小,根据欧姆定律可得,电阻R1两端电压U1=I1R1=0.6A×5Ω=3V,因串联电路中总电压等于各分电压之和,所以滑动变阻器两端的电压U2=U-U1=4.5V-3V=1.5V,因串联电路中各处的电流相等,由欧姆定律可得,变阻器连入电路的最小阻值Rmin=U2I1=1.5V0.6A=2.5Ω;当电压表示数最大为U大=3V时,滑动变阻器接入电路的电阻最大,电路中的电流最小,此时R1两端电压U1'=U-U大=4.5V-3V=1.5V,则电路中的最小电流I小=U1'R1=1.5V5Ω=0.3A,R1消耗的最小功率为P答案2.50.4516.解析火线首先进入开关,然后接到灯泡顶端的金属点;零线直接接到灯泡的螺旋套。这样在更换灯泡时更安全。答案如图所示17.解析根据电流表的正负接线柱可以判断电源右端为正极,左端为负极;此时小磁针N极指向螺线管,说明螺线管的左端为S极,则右端为N极。答案如图所示18.解析(1)要求滑动变阻器滑片P向右滑动时小灯泡变亮,即电流变大,电阻变小,故应将滑动变阻器滑片右侧的电阻丝连入电路中。(2)电源电压恒为6V,小灯泡的额定电压为2.5V,电阻约为10Ω,由欧姆定律得,小灯泡的额定电流约为IL=ULRL=2.5V10Ω=0.25A,根据串联电路电压的规律,小灯泡正常发光时变阻器的电压U滑=U-UL=6V-2.5V=3.5V,由欧姆定律得,变阻器连入电路中的电阻R滑=(3)闭合开关后,小灯泡不亮,电流表无示数,则说明电路存在断路,电压表有示数,则故障可能是小灯泡断路。(4)分析图像可知,小灯泡在额定电压下的电流为0.32A,小灯泡的额定功率为P=UI'=2.5V×0.32A=0.8W;因小灯泡的电阻随温度的变化而变化,故通过小灯泡的电流与其两端电压不成正比。(5)探究电流与电压的关系,需要保持电阻不变