家庭电路电流路径可视化装置的设计与应用

摘要

基于柔性LED灯丝的发光特性，设计一款模拟家庭电路的电流路径可视化实验装置。该装置通过可视化效果，帮助学生理解家庭电路的并联结构、插座连接的特点，并掌握电路故障的分析方法。该装置不仅丰富了教学手段，也为家庭电路教学提供了直观化、动态化的新视角与实验方法。

Graphical abstract

关键词

家庭电路 / 可视化 / 电流路径 / 柔性灯丝 / 设计与应用

“家庭用电”是浙教版科学八年级下册第三章第5节的内容。该内容引导学生从简单电路学习逐步过渡到真实的家庭用电情境，与学生的日常生活经验联系紧密，是培养学生关键能力的有效载体。教材所示的家庭电路如图1所示，教师通常依据该图，利用家庭电路演示板向学生展示各电路元件及标准接线方式^［1］。家庭电路演示板往往使用220 V电压，教师出于安全因素考虑，很少让学生动手操作。同时，常规的家庭电路演示板无法将电流路径显现出来，学生对于家庭电路的情况只能通过思维想象或者图示来了解，对于电流路径的判断会感到比较困难。因此，在建构家庭电路相关知识的初步阶段，教师可以借助家庭电流路径可视化的演示装置让学生“看到”家庭电路中的电流路径，利用直观的现象强化学生的思维表征能力，促使学生内化家庭电路的相关概念和内容。

1 家庭电路电流路径可视化装置的设计

1.1 可视化装置原理

该实验装置的核心元件为柔性LED灯丝，其在通电时会发光。装置中采用柔性LED灯丝替代部分普通金属导线，当电路中有电流通过时，发光的柔性灯丝会呈现出电流的流通路径，从而清晰地实现电流路径的可视化^［2］。

1.2 实验材料

柔性LED灯丝若干、发光二极管3个、闸刀开关1个、开关2个、插头1个、双孔插座1个、可调式学生电源1个，6~24 V汽车试电笔1支、透明胶带1卷、锡焊电烙铁1支、压缩木板1块。

1.3 制作过程

（1） 电路元件的替代。

该装置为模拟家庭电路的可视化实验装置，出于实验安全考虑，需将原有220 V交流电压替换为可调式学生电源电压。同时，由于柔性灯丝自身存在一定的电阻，若使用普通家用灯泡直接实验，会因电路中电流过小而无法观察到灯泡发光现象。因此，该装置中的用电器统一改用发光二极管替代。

（2） 家庭电路元件的改装。

因为网络购买的柔性灯丝两头仅使用直径很小的金属丝作为接口，使用时非常不便，且柔性灯丝具有单向导电性，原来的接口很难直观判断出正负接线的要求。因此，可以利用焊锡电烙铁将不同颜色的接线金属片焊在柔性灯丝端口，制得一系列易于使用的柔性灯丝“导线”（图2）。除此之外，还需要将实验中用到的插头和插座等电路元件进行“改装”，即用柔性灯丝代替导线，接入各电路元件之中，完成正负接口的标注（图3）。

（3） 家庭电路可视化装置使用与要求。

家庭电路电流路径可视化装置如图4所示。该实验装置在设计层面上应该属于家庭电路的模拟实验装置，其可视化效果也是模拟家庭电路的电流路径情况，不能直接取代220 V电压下的家庭电路情况。因此，在进行演示时，需向学生说明该装置的模拟性质，否则容易误导学生，导致错误认识。

①柔性灯丝的连接与要求：柔性灯丝之间可以利用焊锡电烙铁进行连接，由于柔性灯丝中使用了大量的LED灯珠，而LED灯具有单向导电性，因此在连接时需要注意各段柔性灯丝的正负极情况。若柔性灯丝的正负极接反，则会导致单向无法导电的情况，从而造成实验失败。在采用柔性灯丝构建多条并联电路时，应尽量保证各电流路径中所用柔性灯丝的数量相近，以防止因柔性灯丝自身电阻导致各支路电流不均衡，从而影响电流路径可视化的准确性。

②可调式学生电源和汽车试电笔的使用：实验装置使用的学生电源可调节电压为3~24 V，在实验时为了防止发光二极管因电压过大而烧坏，需在演示实验前，将可调式电源调整到适当的电压。

同时，由于实验电压变小，传统的测电笔无法用于该装置，所以需要利用汽车试电笔来检测当前电路中的电流，以便判断家庭电路的零线和火线连接情况。汽车试电笔在使用时需将笔尖接触检测部位，对应的夹子与电源的负极相接，通过观察试电笔中的二极管发光亮度来达到检测电路的目的。

2 家庭电路电流路径可视化装置在教学中的应用

利用自制的家庭电路电流路径可视化装置进行实验的目的，是让学生直观看到家庭电路各元件在使用时的电流路径情况，理解家庭电路的规范连接及电路发生故障时的电路情况。

2.1 探究家庭电路的基本情况

该装置可以用来展示家庭电路中多个用电器使用时的电流路径情况。当闭合装置中的开关S₁时，发光二极管L₁发光，同时对应通路电路部分的柔性灯丝均亮起。只闭合开关S₂时，也观察到了类似的现象。当同时闭合开关S₁、S₂时，则能观察到通过L₁、L₂的两条闭合回路中的柔性灯丝均亮起；当断开闸刀开关时，发光二极管L₁、L₂及各处的柔性灯丝均熄灭。通过以上实验演示，学生即可凭借直观的现象判断出家庭电路中各用电器是并联的，同时闸刀开关接在干路处可以控制总电路。该过程为学生完整地建构家庭电路、分析家庭电路中电流的走向提供了感性素材。

2.2 探究插座在家庭电路中的连接情况

插座是家庭电路中一个非常重要的电学元件。在传统的教学过程中，学生只能通过教师使用测电笔简单地判断插座中的火线和零线情况，学生在学习过程中更多的是依靠机械性的记忆去了解插座电路的连接要求。利用家庭电路电流路径可视化装置结合汽车试电笔，可以为学生提供更多的视觉信息，强化学生对插座这个电学元件的理解。

将试电笔分别插入二孔和三孔插座的右孔，可以观察到测电笔中的二极管亮起，同时经由火线连接至右孔处的柔性灯丝亮起。由于测电笔的夹子与零线相连，在柔性灯丝接于“火线”的情况下，“火线”、柔性灯丝、试电笔与“零线”之间便构成了一个闭合回路。学生通过该过程能够更好地理解测电笔发光的原因，同时有助于学生理解插座的基本构造。当试电笔笔头接触插座的左孔和上孔时，试电笔中的二极管和柔性灯丝均未发光。将一个带有柔性灯丝和LED的插头插入插座后，可以观察到插座和插头所构成的回路通过柔性灯丝完整地呈现出来。这个过程将原先只能通过图示呈现的抽象模型实现了可视化，其直接的视觉感受有助于学生的深入理解和内化相关的电路知识。

2.3 探究各种家庭电路故障时的电路情况

家庭电路故障的分析是该节教学的一个难点，由于电路故障时学生无法直观地看到电路中电流的整体情况，其相关的概念和模型图示就容易产生混淆。通过该装置，学生可以观察到各种不同的家庭电路故障时的电流路径情况。在视觉信息元素辅助下，能更好地帮助学生理解和分析电路问题。

图5-a是闭合开关S₁和S₂时正常的电路情况。当将插头处的两根柔性灯丝直接相连，即电路发生短路时，可以观察到原先两条支路处的柔性灯丝和发光二极管均熄灭，同时插座和插头周边的柔性灯丝发出明亮的光（图5-b）。该过程能很好地模拟家庭电路发生电源短路时的电流路径情况，鲜明的实验对比和视觉冲击可以给学生留下深刻的印象，有助于提升学生的学习兴趣。

用电器短路或断路是家庭电路故障分析中经常涉及的问题。在传统教学中，学生主要依赖图示进行电路分析，这对部分学生而言思维难度较大，抽象概念不易理解。利用该电流可视化装置，能够有效降低学生在电路分析中的思维难度，帮助其更好地掌握相关知识。用电器（发光二极管）发生短路时，可以看到闭合回路中的柔性灯丝均亮起，但是发光二极管处于熄灭状态。当使用试电笔分别检测发光二极管两端时，试电笔中的二极管均发光，说明电路中没有出现断路情况，其故障主要是由发光二极管短路引起的。在用电器发生断路时，发光二极管和周边柔性灯丝均未发光。当利用试电笔接触发光二极管左侧时，发现电路一部分的柔性灯丝亮起，同时试电笔中的二极管也亮起，可以判断亮起部分的电路没有发生断路；当试电笔接触发光二极管右侧时，发现柔性灯丝和电笔中的二极管均未发光，则可以判断其故障为发光二极管断路。在该实验中，家庭电路的可视化效果能为学生提供更充分的佐证素材，帮助学生形成直观清晰的思维表象，从而突破教学难点。

3 实验反思

该实验通过柔性LED灯丝构建家庭电路电流路径可视化装置，有效解决了传统教学中电流路径抽象难懂的问题，具有显著的创新性与教学价值。装置通过低电压模拟家庭电路，既保障了实验安全性，又借助柔性灯丝的发光特性直观呈现电流路径，从而帮助学生理解家庭电路的并联结构、插座连接特点及故障分析等核心概念。在教学中，学生通过观察柔性灯丝亮灭与试电笔反馈，能主动建构电路模型，降低了思维难度，提升了学习兴趣。

然而，实验仍有改进空间。比如，柔性灯丝的单向导电性与电阻特性可能对实验效果产生干扰；并联支路灯丝数量需严格一致，以避免电流差异；在实际操作中，易因焊接误差导致结果偏差。装置为模拟电路，虽降低了电压，但与家庭电路的220 V环境存在差异，需在教学中反复强调其“模拟性”，避免学生形成错误认知。此外，实验材料（如柔性灯丝）的耐用性与稳定性有待提升，长期使用可能出现灯珠损坏或接触不良问题，影响演示效果。

总体而言，该装置为家庭电路教学提供了新思路，其直观性与安全性优势显著。通过持续改进与创新，有望成为突破电路教学难点的有效工具。

参考文献

[1] 王震，李雪.自制家庭电路演示板理解电路的规范连接［J］.中学物理，2018，36（18）：30-32.

[2] 徐晓碧，白植隆.电流路径可视化演示装置的创新设计和应用［J］.物理教师，2024，45（09）：52-54，65.

基金资助

浙江省温州市科学教育专项课题“2+4+11：初中科学技术与工程实践项目设计与实施”(WZKX202409)

浙江省温州市教科规划课题“基于创新工程学的初中科学技术与工程实践研究”(WK2024059)