内容正文:
16章 实践:设计安全用电科普活动
课标要点
1. 物理观念
- 能通过实验归纳导体电阻与材料、长度、横截面积的关系;知道滑动变阻器的原理与接法。
- 理解欧姆定律 I=U/R,能进行简单计算;会用伏安法测量电阻。
- 知道家庭电路的组成,记住安全用电常识,能解释电流过大的两个原因。
2. 科学思维
- 用欧姆定律解释“湿手为什么危险”“为什么总功率过大会跳闸”“36 V为什么是安全电压”,把公式翻译成安全规则。
3. 科学探究与态度责任
- 完成事故调研、模拟实验、科普创作的完整流程,把物理知识转化为公众听得懂的语言,增强安全用电意识与社会责任感。
学习重难点
重点:电阻的影响因素与滑动变阻器;欧姆定律及其应用;家庭电路的组成与安全用电原则。
难点:把“触电”“电气火灾”还原为 I=U/R 与 Q=I²Rt 的物理过程;科普语言与物理语言的转换。
易错点:认为“电阻越大电流越大”;忘记控制变量法中“更换电阻后要调节滑动变阻器保持电压不变”;认为“三孔插座的第三孔多余”。
一、情境处理
1. 故事线:
社区通知:近期小区接连发生两起电气事故——一起是电动车私拉电线“飞线充电”引发火灾(图16—33),一起是老人湿手拔插头触电受伤。居委会邀请你们班承担一场“安全用电”社区科普活动。你们领到的任务是讲清楚三件事:人为什么会触电?线路为什么会起火?怎样做才安全?
(图16—33 电气火灾)
追问链(引导学生拆解问题):
(1)人体为什么会触电?→ 人体是导体,当通过人体的电流过大时就会发生触电事故。I=U/R:电压越高越危险,人体电阻越小(如湿手)越危险。
(2)线路为什么会起火?→ 两个祸根:①短路——火线与零线直接连通,电阻趋近于零,电流极大;②用电器总功率过大——干路电流 I=P总/U 过大。线路电流过大,由 Q=I²Rt 可知导线急剧发热,引燃绝缘层。
(3)保险丝、空气开关为什么能“保命”?→ 电流达到限定值时自动熔断或跳闸,切断电路。
(4)三孔插座多出的那个孔接什么?→ 地线。把洗衣机等电器的金属外壳与大地相连,万一漏电,电流经地线导入大地,不流过人体。
(5)充电桩为什么要装保险装置并可靠接地?→ 大功率设备电流大,过载、漏电风险高(图16—35)。
2. 科普活动方案
活动形式
主要内容
用到的物理知识
知识讲座
讲解家庭电路组成、安全电压、触电与火灾成因
I=U/R、Q=I²Rt、36 V安全电压
实验演示
低压演示电路模拟短路使保险丝熔断;改变电阻观察灯泡亮度变化
短路电流过大、电阻对电流的影响
互动问答
“安全用电判断题”抢答:湿手拔插头、电线上晾衣、触电先断电源
安全用电原则
海报宣传
设计张贴安全用电海报、发放宣传手册
绝缘、接地、总功率限制
3. 课堂活动设计
环节一:事故归类(8分钟)
- 把课前收集的触电、电气火灾案例按“短路”“总功率过大”“漏电”“违章操作”四类归档,标注每类涉及的物理知识。
环节二:模拟演示(12分钟)
- 用低压电源演示:短接灯泡→电流骤增→保险丝熔断;串联滑动变阻器改变电阻→灯泡亮度变化。强调:触电与火灾的模拟实验必须在教师指导下用安全低压器材进行,严禁用市电。
环节三:科普创作(15分钟)
- 每组设计一张安全用电海报,要求:一句欧姆定律解释+两个“禁止”图标+一条触电急救常识。
环节四:回扣物理(5分钟)
- 教师总结:安全用电的物理内核——控制通过人体的电流 I=U/R(不靠近高压、不湿手,即减小U、增大R),防止线路电流过大(不短路、不超总功率)。
二、物理内核(学生必须掌握的“骨架”)
核心知识网
安全用电科普(探究电路)
├── 电阻
│ ├── 表示导体对电流阻碍作用的大小;单位欧姆(Ω)
│ ├── 影响因素:材料、长度、横截面积、温度(控制变量法+转换法)
│ ├── 滑动变阻器:靠改变接入电路的电阻丝长度改变电阻;接法“一上一下”;闭合开关前调到阻值最大处
│ └── 人体电阻:干燥时约10³~10⁴ Ω,潮湿时急剧减小——同一电压下电流成倍增大
├── 欧姆定律
│ ├── I=U/R;导体中的电流跟电压成正比、跟电阻成反比
│ ├── 应用:解释36 V安全电压、测电笔氖管发光的微弱电流
│ └── 伏安法测电阻:R=U/I;滑动变阻器保护电路+多次测量取平均值
├── 家庭电路
│ ├── 组成:进户线→电能表→总开关→保险装置→用电器、插座
│ ├── 火线与零线间电压220 V;测电笔氖管发光=接触的是火线
│ ├── 三孔插座:上孔接地,金属外壳接地防漏电触电
│ └── 开关、保险装置必须接在火线上
├── 电流过大的原因
│ ├── 短路:电阻R→0,I=U/R 极大
│ ├── 用电器总功率过大:I=P总/U 过大
│ └── 后果:Q=I²Rt 使线路发热,引发火灾
└── 安全用电原则
├── 不接触低压带电体,不靠近高压带电体
├── 更换灯泡、搬动电器前断开电源开关
├── 不用湿手触摸电器,不用破损导线,不私拉乱接
└── 触电急救:先切断电源(或用干燥木棒挑开电线),再施救
学生必须能说出的“三句话”
1.“触电的本质是过大的电流通过人体——I=U/R,电压越高越危险,人体电阻越小(湿手)越危险。”
2.“电气火灾的两个祸根是短路和总功率过大,它们都让线路电流过大,Q=I²Rt使导线急剧发热。”
3.“三孔插座多出的孔是保命孔——把金属外壳接地,漏电时电流走地线而不走人体。”
三、考题落点
落点1:电阻与滑动变阻器
【考点】电阻的影响因素(控制变量法、转换法);变阻器的接法与滑片移动方向。
1.如图16—37所示是“探究导体的电阻与哪些因素有关”的实验装置,a、b、c为锰铜合金丝,其中a、b长度相同,a、c粗细相同。实验时通过观察________间接比较导体电阻的大小;若选择将a、b分别接入电路中,是为了探究电阻大小与导体的____是否有关。
2.如图16—34所示,滑动变阻器的C接线柱(下方)与B接线柱(上方)接入了电路。要使滑动变阻器接入电路的电阻变大,应将滑片P向___(选填“A”或“B”)端移动;若改接下面两个接线柱A、B,则移动滑片____改变接入电路的电阻(选填“能”或“不能”)。
3.电动汽车充电桩(图16—35)的金属外壳必须____,目的是万一内部漏电时,电流经____导入大地,防止人触及外壳时触电;每台充电桩都安装保险装置,当线路电流过大时______,切断电路防止火灾。
落点2:欧姆定律与安全电压
【考点】I=U/R 的计算;用计算说明“湿手危险”“36 V是安全电压”。
4.人体是导体。经验表明,不高于36 V的电压对人体才是安全的,这是因为在这个电压范围内,通过人体的电流较小。一般通过人体超过30 mA的电流就有生命危险。
(1)若干燥人体电阻约为3 000 Ω,人直接接触家庭电路火线(220 V)时,通过人体的电流约为多少?
(2)若皮肤潮湿使人体电阻减小为1 000 Ω,电流又约为多少?
(3)由计算说明“不要用湿手触摸电器”的道理。
5.家庭电路中电流过大的原因,下列说法正确的是( )
A.只可能是发生了短路 B.只可能是用电器总功率过大
C.短路或用电器总功率过大都可能 D.与用电器总功率无关
落点3:伏安法测电阻(实验探究)
【考点】电路连接规范;滑动变阻器的作用;灯丝电阻随温度变化;多次测量的意义。
6.小李利用学生电源、电流表、电压表、定值电阻(5 Ω、10 Ω、20 Ω各一个)、开关、滑动变阻器和导线探究“电流与电阻的关系”:
(1)连接电路时,开关应____,且应将滑动变阻器的滑片移到阻值最____处;
(2)每次更换定值电阻后,都应调节滑动变阻器,使____________保持不变;
(3)实验中不能只用一个阻值做一次测量就得出结论,理由是________。
7.小聪用“2.5 V 0.3 A”的小灯泡替换定值电阻完成“测量小灯泡的电阻”实验。闭合开关,移动滑片,电压表的示数如图16—40(c)所示为____V;此时电流表的示数可能是下列数据中的( )。
A.0.18 A B.0.22 A C.0.26 A
落点4:家庭电路与安装规范
【考点】开关接火线;三孔插座接地;测电笔的正确使用。
8.教室讲台前要安装三孔插座、双孔插座各一个,还要安装两盏由一个开关控制的照明电灯(图16—36)。连接时:控制电灯的开关应接在____线上;三孔插座中多余的那个孔应接____线。
9.用测电笔辨别火线与零线时,正确的使用方法是________________;若氖管发光,说明笔尖接触的是____线。
落点5:家庭电路综合计算
【考点】I=P总/U 的计算;用数据判断线路是否超载。
10.某家庭某时段同时使用:电饭锅(800 W)、电暖器(2 000 W)、电视机(150 W)、照明灯(60 W×4盏)。家庭电路电压为220 V。
(1)干路中的总电流是多少?(结果保留一位小数)
(2)若该户进户导线允许通过的最大电流为10 A,此时是否安全?应该怎么办?
落点6:开放简答(科普创作)
【考点】把物理规律转化为科普语言。
11.为社区科普海报拟三条安全用电标语,并任选一条,用欧姆定律或焦耳定律解释其中的道理。
四、总结
1. 触电=过大的电流通过人体(I=U/R);电气火灾=线路电流过大(短路或总功率过大,Q=I²Rt)。
2. 安全的三道防线:绝缘(增大R)、接地(漏电走地线)、保险装置(电流过大自动断电)。
3. 科普的要义:把 I=U/R 和 Q=I²Rt 翻译成人人听得懂的一句话。
课后任务(二选一):
- A:把课堂海报补充完善后在社区张贴,拍照记录并收集居民反馈。
- B:结合智能家居,设计一套“家庭用电安全智能预警系统”方案(漏电自动断电、过载报警等),形成一篇200字科技小论文。
学科网(北京)股份有限公司
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16章 实践:设计安全用电科普活动
课标要点
1. 物理观念
- 能通过实验归纳导体电阻与材料、长度、横截面积的关系;知道滑动变阻器的原理与接法。
- 理解欧姆定律 I=U/R,能进行简单计算;会用伏安法测量电阻。
- 知道家庭电路的组成,记住安全用电常识,能解释电流过大的两个原因。
2. 科学思维
- 用欧姆定律解释“湿手为什么危险”“为什么总功率过大会跳闸”“36 V为什么是安全电压”,把公式翻译成安全规则。
3. 科学探究与态度责任
- 完成事故调研、模拟实验、科普创作的完整流程,把物理知识转化为公众听得懂的语言,增强安全用电意识与社会责任感。
学习重难点
重点:电阻的影响因素与滑动变阻器;欧姆定律及其应用;家庭电路的组成与安全用电原则。
难点:把“触电”“电气火灾”还原为 I=U/R 与 Q=I²Rt 的物理过程;科普语言与物理语言的转换。
易错点:认为“电阻越大电流越大”;忘记控制变量法中“更换电阻后要调节滑动变阻器保持电压不变”;认为“三孔插座的第三孔多余”。
一、情境处理
1. 故事线:
社区通知:近期小区接连发生两起电气事故——一起是电动车私拉电线“飞线充电”引发火灾(图16—33),一起是老人湿手拔插头触电受伤。居委会邀请你们班承担一场“安全用电”社区科普活动。你们领到的任务是讲清楚三件事:人为什么会触电?线路为什么会起火?怎样做才安全?
(图16—33 电气火灾)
追问链(引导学生拆解问题):
(1)人体为什么会触电?→ 人体是导体,当通过人体的电流过大时就会发生触电事故。I=U/R:电压越高越危险,人体电阻越小(如湿手)越危险。
(2)线路为什么会起火?→ 两个祸根:①短路——火线与零线直接连通,电阻趋近于零,电流极大;②用电器总功率过大——干路电流 I=P总/U 过大。线路电流过大,由 Q=I²Rt 可知导线急剧发热,引燃绝缘层。
(3)保险丝、空气开关为什么能“保命”?→ 电流达到限定值时自动熔断或跳闸,切断电路。
(4)三孔插座多出的那个孔接什么?→ 地线。把洗衣机等电器的金属外壳与大地相连,万一漏电,电流经地线导入大地,不流过人体。
(5)充电桩为什么要装保险装置并可靠接地?→ 大功率设备电流大,过载、漏电风险高(图16—35)。
2. 科普活动方案
活动形式
主要内容
用到的物理知识
知识讲座
讲解家庭电路组成、安全电压、触电与火灾成因
I=U/R、Q=I²Rt、36 V安全电压
实验演示
低压演示电路模拟短路使保险丝熔断;改变电阻观察灯泡亮度变化
短路电流过大、电阻对电流的影响
互动问答
“安全用电判断题”抢答:湿手拔插头、电线上晾衣、触电先断电源
安全用电原则
海报宣传
设计张贴安全用电海报、发放宣传手册
绝缘、接地、总功率限制
3. 课堂活动设计
环节一:事故归类(8分钟)
- 把课前收集的触电、电气火灾案例按“短路”“总功率过大”“漏电”“违章操作”四类归档,标注每类涉及的物理知识。
环节二:模拟演示(12分钟)
- 用低压电源演示:短接灯泡→电流骤增→保险丝熔断;串联滑动变阻器改变电阻→灯泡亮度变化。强调:触电与火灾的模拟实验必须在教师指导下用安全低压器材进行,严禁用市电。
环节三:科普创作(15分钟)
- 每组设计一张安全用电海报,要求:一句欧姆定律解释+两个“禁止”图标+一条触电急救常识。
环节四:回扣物理(5分钟)
- 教师总结:安全用电的物理内核——控制通过人体的电流 I=U/R(不靠近高压、不湿手,即减小U、增大R),防止线路电流过大(不短路、不超总功率)。
二、物理内核(学生必须掌握的“骨架”)
核心知识网
安全用电科普(探究电路)
├── 电阻
│ ├── 表示导体对电流阻碍作用的大小;单位欧姆(Ω)
│ ├── 影响因素:材料、长度、横截面积、温度(控制变量法+转换法)
│ ├── 滑动变阻器:靠改变接入电路的电阻丝长度改变电阻;接法“一上一下”;闭合开关前调到阻值最大处
│ └── 人体电阻:干燥时约10³~10⁴ Ω,潮湿时急剧减小——同一电压下电流成倍增大
├── 欧姆定律
│ ├── I=U/R;导体中的电流跟电压成正比、跟电阻成反比
│ ├── 应用:解释36 V安全电压、测电笔氖管发光的微弱电流
│ └── 伏安法测电阻:R=U/I;滑动变阻器保护电路+多次测量取平均值
├── 家庭电路
│ ├── 组成:进户线→电能表→总开关→保险装置→用电器、插座
│ ├── 火线与零线间电压220 V;测电笔氖管发光=接触的是火线
│ ├── 三孔插座:上孔接地,金属外壳接地防漏电触电
│ └── 开关、保险装置必须接在火线上
├── 电流过大的原因
│ ├── 短路:电阻R→0,I=U/R 极大
│ ├── 用电器总功率过大:I=P总/U 过大
│ └── 后果:Q=I²Rt 使线路发热,引发火灾
└── 安全用电原则
├── 不接触低压带电体,不靠近高压带电体
├── 更换灯泡、搬动电器前断开电源开关
├── 不用湿手触摸电器,不用破损导线,不私拉乱接
└── 触电急救:先切断电源(或用干燥木棒挑开电线),再施救
学生必须能说出的“三句话”
1.“触电的本质是过大的电流通过人体——I=U/R,电压越高越危险,人体电阻越小(湿手)越危险。”
2.“电气火灾的两个祸根是短路和总功率过大,它们都让线路电流过大,Q=I²Rt使导线急剧发热。”
3.“三孔插座多出的孔是保命孔——把金属外壳接地,漏电时电流走地线而不走人体。”
三、考题落点
落点1:电阻与滑动变阻器
【考点】电阻的影响因素(控制变量法、转换法);变阻器的接法与滑片移动方向。
1.如图16—37所示是“探究导体的电阻与哪些因素有关”的实验装置,a、b、c为锰铜合金丝,其中a、b长度相同,a、c粗细相同。实验时通过观察________间接比较导体电阻的大小;若选择将a、b分别接入电路中,是为了探究电阻大小与导体的____是否有关。
答案:电流表示数(或小灯泡亮度);长度
【详解】电阻无法直接观察,通过电流表示数(转换法)反映:电流越小,电阻越大。a、b材料相同、粗细相同、长度不同,探究的是电阻与长度的关系。
2.如图16—34所示,滑动变阻器的C接线柱(下方)与B接线柱(上方)接入了电路。要使滑动变阻器接入电路的电阻变大,应将滑片P向___(选填“A”或“B”)端移动;若改接下面两个接线柱A、B,则移动滑片____改变接入电路的电阻(选填“能”或“不能”)。
答案:B;不能
【详解】接C、B(一上一下)时,接入电路的是PC段电阻丝,滑片P向B(远离C)移动时PC段变长,电阻变大。若接下面两个接线柱A、B,相当于接入整根电阻丝(定值),移动滑片不能改变电阻。
3.电动汽车充电桩(图16—35)的金属外壳必须____,目的是万一内部漏电时,电流经____导入大地,防止人触及外壳时触电;每台充电桩都安装保险装置,当线路电流过大时______,切断电路防止火灾。
答案:接地;地线;自动断开电路(跳闸)
【详解】金属外壳接地是防止漏电触电的关键措施;保险装置(空气开关)在电流过大时自动断开电路。
落点2:欧姆定律与安全电压
【考点】I=U/R 的计算;用计算说明“湿手危险”“36 V是安全电压”。
4.人体是导体。经验表明,不高于36 V的电压对人体才是安全的,这是因为在这个电压范围内,通过人体的电流较小。一般通过人体超过30 mA的电流就有生命危险。
(1)若干燥人体电阻约为3 000 Ω,人直接接触家庭电路火线(220 V)时,通过人体的电流约为多少?
(2)若皮肤潮湿使人体电阻减小为1 000 Ω,电流又约为多少?
(3)由计算说明“不要用湿手触摸电器”的道理。
答案:(1)约0.07 A (2)0.22 A (3)见详解
【详解】(1)I=U/R=220 V/3 000 Ω≈0.07 A=70 mA,已远超30 mA的危险限值;(2)I=220 V/1 000 Ω=0.22 A=220 mA,是干燥时的3倍多;(3)潮湿使人体电阻减小,由 I=U/R 可知同样220 V电压下通过人体的电流成倍增大,更易造成致命触电,所以绝不能用湿手触摸电器。
5.家庭电路中电流过大的原因,下列说法正确的是( )
A.只可能是发生了短路 B.只可能是用电器总功率过大
C.短路或用电器总功率过大都可能 D.与用电器总功率无关
答案:C
【详解】I=U/R:短路时R趋近于0,I极大;I=P总/U:总功率过大时干路电流也过大。两个原因都使电流超过线路允许值,保险装置动作。
落点3:伏安法测电阻(实验探究)
【考点】电路连接规范;滑动变阻器的作用;灯丝电阻随温度变化;多次测量的意义。
6.小李利用学生电源、电流表、电压表、定值电阻(5 Ω、10 Ω、20 Ω各一个)、开关、滑动变阻器和导线探究“电流与电阻的关系”:
(1)连接电路时,开关应____,且应将滑动变阻器的滑片移到阻值最____处;
(2)每次更换定值电阻后,都应调节滑动变阻器,使____________保持不变;
(3)实验中不能只用一个阻值做一次测量就得出结论,理由是________。
答案:(1)断开;大 (2)定值电阻两端的电压 (3)一次实验具有偶然性,不能得出普遍规律
【详解】探究电流与电阻的关系用控制变量法——必须控制电阻两端电压不变;闭合开关前变阻器调到最大以保护电路。
7.小聪用“2.5 V 0.3 A”的小灯泡替换定值电阻完成“测量小灯泡的电阻”实验。闭合开关,移动滑片,电压表的示数如图16—40(c)所示为____V;此时电流表的示数可能是下列数据中的( )。
A.0.18 A B.0.22 A C.0.26 A
答案:2.0;C
【详解】电压表示数为2.0 V,低于额定电压2.5 V,灯丝温度比正常发光时低,电阻比正常发光时的8.3 Ω小,所以电流 I=2.0 V/R>2.0 V/8.3 Ω≈0.24 A,只能是0.26 A。故选C。
落点4:家庭电路与安装规范
【考点】开关接火线;三孔插座接地;测电笔的正确使用。
8.教室讲台前要安装三孔插座、双孔插座各一个,还要安装两盏由一个开关控制的照明电灯(图16—36)。连接时:控制电灯的开关应接在____线上;三孔插座中多余的那个孔应接____线。
答案:火;地
【详解】开关接在火线上,断开开关后灯座不再带电,更换灯泡才安全;三孔插座的“上孔”接地线,与用电器金属外壳相连,漏电时把电流导入大地。
9.用测电笔辨别火线与零线时,正确的使用方法是________________;若氖管发光,说明笔尖接触的是____线。
答案:手接触笔尾金属体,笔尖接触被测导线(手绝不能接触笔尖金属体);火
【详解】手接触笔尾金属体才能使“火线—测电笔—人体—大地”构成回路,微弱电流(约0.2 mA,远小于危险限值)使氖管发光。
落点5:家庭电路综合计算
【考点】I=P总/U 的计算;用数据判断线路是否超载。
10.某家庭某时段同时使用:电饭锅(800 W)、电暖器(2 000 W)、电视机(150 W)、照明灯(60 W×4盏)。家庭电路电压为220 V。
(1)干路中的总电流是多少?(结果保留一位小数)
(2)若该户进户导线允许通过的最大电流为10 A,此时是否安全?应该怎么办?
答案:(1)约14.5 A (2)不安全,应错开使用大功率电器
【详解】(1)P总=800 W+2 000 W+150 W+240 W=3 190 W;I=P总/U=3 190 W/220 V≈14.5 A。(2)14.5 A>10 A,线路超载,导线发热可能引发事故(Q=I²Rt);应错峰使用大功率电器,或请电工更换容量更大的线路与保险装置。
落点6:开放简答(科普创作)
【考点】把物理规律转化为科普语言。
11.为社区科普海报拟三条安全用电标语,并任选一条,用欧姆定律或焦耳定律解释其中的道理。
答案:标语示例:“湿手不碰电,安全又保险”“电线破损及时换,私拉乱接酿祸患”“大电器错峰开,线路过载酿火灾”。
解释示例:“湿手不碰电”——湿手使人体电阻减小,由 I=U/R 可知,同样220 V电压下通过人体的电流显著增大,极易触电;“线路过载酿火灾”——总功率过大时干路电流 I=P总/U 过大,由 Q=I²Rt 可知导线发热急剧增加,易引燃绝缘层。
四、总结
1. 触电=过大的电流通过人体(I=U/R);电气火灾=线路电流过大(短路或总功率过大,Q=I²Rt)。
2. 安全的三道防线:绝缘(增大R)、接地(漏电走地线)、保险装置(电流过大自动断电)。
3. 科普的要义:把 I=U/R 和 Q=I²Rt 翻译成人人听得懂的一句话。
课后任务(二选一):
- A:把课堂海报补充完善后在社区张贴,拍照记录并收集居民反馈。
- B:结合智能家居,设计一套“家庭用电安全智能预警系统”方案(漏电自动断电、过载报警等),形成一篇200字科技小论文。
学科网(北京)股份有限公司
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