『壹』 誰能講解一下電子管基礎知識
基本電子管一般有三個極,一個陰極(K)用來發射電子,一個陽極(A)用來吸收陰極所發射的電子,一個柵極(G)用來控制流到陽極的電子流量.陰極發射電子的基本條件是:陰極本身必須具有相當的熱量,陰極又分兩種,一種是直熱式,它是由電流直接通過陰極使陰極發熱而發射電子;另一種稱旁熱式陰極,其結構一般是一個空心金屬管,管內裝有繞成螺線形的燈絲,加上燈絲電壓使燈絲發熱從而使陰極發熱而發射電子,現在日常用的多半是這種電子管(如圖所示).由陰極發射出來的電子穿過柵極金屬絲間的空隙而達到陽極,由於柵極比陽極離陰極近得多,因而改變柵極電位對陽極電流的影響比改變陽極電壓時大得多,這就是三極體的放大作用.換句話說就是柵極電壓對陽極電流的控製作用.我們用一個參數稱跨導(S)來表示.另外還有一個參數μ來描述電子管的放大系數,它的意義是說明了柵極電壓控制陽流的能力比陽極電壓對陽流的作用大多少倍.www.ShareDIY.net
為了提高電子管的放大系數,在三極體的陽極和控制柵極之間另外加入一個柵極稱之為簾柵極,而構成四極管,由於簾柵極具有比陰極高很多的正電壓,因此也是一個能力很強的加速電極,它使得電子以更高的速度迅速到達陽極,這樣控制柵極的控製作用變得更為顯著.因此比三極體具有更大的放大系數.但是由於簾柵極對電子的加速作用,高速運動的電子打到陽極,這些高速電子的動能很大,將從陽極上打出所謂二次電子,這些二次電子有些將被簾柵吸收形成簾柵電流,使簾柵電流上升這會導致簾柵電壓的下降,從而導致陽極電流的下降,為此四極管的放大系數受到一定而限制.www.ShareDIY.net
為了解決上述矛盾,在四極管簾柵極外的兩側再加入一對與陰極相連的集射極,由於集射極的電位與陰極相同,所以對電子有排斥作用,使得電子在通過簾柵極之後在集射極的作用下按一定方向前進並形成扁形射束,這扁形電子射束的電子密度很大,從而形成了一個低壓區,從陽極上打出來的二次電子受到這個低壓區的排斥作用而被推回到陽極,從而使簾柵電流大大減少,電子管的放大能力得而加強.這種電子管我們稱為束射四極管,束射四極管不但放大系數較三極體為高,而且其陽極面積較大,允許通過較大的電流,因此現在的功放機常用到它作為功率放大
電子技術發展的里程碑——晶體管
談到晶體管，也許很多人會感到很陌生．然而，就是小小的晶體管的發明給電子學帶來了一場革命．這場革命發展之迅速、波及范圍之廣泛，完全超出了人們的想像．
現在晶體管和微型電路幾乎無所不能，無處不在．小到人們日常生活中的助聽器、收音機、錄音機和電視機，大到實驗室儀器、工業生產及國防設備、計算機、機器人、宇宙飛盤等，都離不開晶體管．可以毫不誇張地說，晶體管奠定了現代電子技術的基礎．
可是，晶體管究竟是什麼樣的?它又是怎樣發明出來的?必不可少的一步——電子管的問世1883年，聞名世界的大發明家愛迪生發明了第一隻白熾照明燈．電燈的發明，給一直生活在黑暗之中的人們送去了光明和溫暖．就在這個過程中，愛迪生還發現了一個奇特的現象：一塊燒紅的鐵會散發出電子雲．後人稱之為愛迪生效應．1884年的一天，一位叫弗萊明的英國發明家，遠涉重洋，風塵僕僕地來到美國，拜會了他慕名已久的愛迪生．就在這兩位大發明家的會見中，愛迪生再次展示了愛迪生效應．遺憾的是，由於當時技術條件的限制，不論是愛迪生，還是弗萊明，都對這一效應百思不得其解，不知道利用這一效應能做些什麼．
20世紀初，有線電報問世了．這一發明給人們帶來了很多便利．有線電報發出的信號是高頻無線電波，收信台必須進行整流，才能從聽筒中聽出聲音來．當時的整流器結構復雜，功效又差，亟待改進．正在研究高頻整流器的弗萊明靈機一動，他想，如果把愛迪生效應應用在檢波器上，結果會怎樣呢?就這樣，引出了一個新的發明．
1904年弗萊明在真空中加熱的電絲(燈絲)前加了一塊板極，從而發明了第一隻電子管．他把這種裝有兩個極的電子管稱為二極體．利用新發明的電子管，可以給電流整流，使電話受話器或其它記錄裝置工作起來．如今，打開一架普通的電子管收音機，我們很容易看到燈絲燒得紅紅的電子管．它是電子設備工作的心臟，是電子工業發展的起點．
弗萊明的二極體是一項嶄新的發明．它在實驗室中工作得非常好．可是，不知為什麼，它在實際用於檢波器上卻很不成功，還不如同時發明的礦石檢波器可靠．因此，對當時無線電的發展沒有產生什麼沖擊．
此後不久，貧困潦倒的美國發明家德福雷斯特，在二極體的燈絲和板極之間巧妙地加了一個柵板，從而發明了第一隻真空三極體．這一小小的改動，竟帶來了意想不到的結果．它不僅反應更為靈敏、能夠發出音樂或聲音的振動，而且，集檢波、放大和振盪三種功能於一體．因此，許多人都將三極體的發明看作電子工業真正的誕生起點．德福雷斯特自己也非常驚喜，認為「我發現了一個看不見的空中帝國」．電子管的問世，推動了無線電電子學的蓬勃發展．到1960年前後，西方國家的無線電工業年產10億只無線電電子管．電子管除應用於電話放大器、海上和空中通訊外，也廣泛滲透到家庭娛樂領域，將新聞、教育節目、文藝和音樂播送到千家萬戶．就連飛機、雷達、火箭的發明和進一步發展，也有電子管的一臂之力．
三條腿的魔術師電子管在電子學研究中曾是得心應手的工具．電子管器件歷時40餘年一直在電子技術領域里占據統治地位．但是，不可否認，電子管十分笨重，能耗大、壽命短、雜訊大，製造工藝也十分復雜．因此，電子管問世不久，人們就在努力尋找新的電子器件．第二次世界大戰中，電子管的缺點更加暴露無遺．在雷達工作頻段上使用的普通的電子管，效果極不穩定．移動式的軍用器械和設備上使用的電子管更加笨拙，易出故障．因此，電子管本身固有的弱點和迫切的戰時需要，都促使許多科研單位和廣大科學家，集中精力，迅速研製成功能取代電子管的固體元器件．
早在30年代，人們已經嘗試著製造固體電子元件．但是，當時人們多數是直接用模仿製造真空三極體的方法來製造固體三極體．因此這些嘗試毫無例外都失敗了．
年6月的一天，在美國貝爾實驗室的一個房間里，一架樣式很普通的收音機正在播放著輕柔的音樂，許多參觀者在它面前駐足不前．為什麼大家都對這台收音機情有獨鍾呢？原來這是第一架不用電子管，而代之以一種新的固體元件——晶體管的收音機．雖然人們對這架收音機顯露出濃厚的興趣．然而，他們對晶體管本身卻不以為然．美國《紐約先驅論壇報》的記者在報道中寫道：「這一器件還在實驗室階段，工程師們都認為它在電子工業中的革新是有限的．」事實上，晶體管發明以後，在不長的時間內，它的深遠影響便很快地顯示出來．它在電子學領域完成了一場真正的革命．
什麼是晶體管呢？通俗地說，晶體管是半導體做的固體電子元件．像金銀銅鐵等金屬，它們導電性能好，叫做導體．木材、玻璃、陶瓷、雲母等不易導電，叫做絕緣體．導電性能介於導體和絕緣體之間的物質，就叫半導體．晶體管就是用半導體材料製成的．這類材料最常見的便是鍺和硅兩種．
半導體是19世紀末才發現的一種材料．當時人們並沒有發現半導體的價值，也就沒有注重半導體的研究．直到二次大戰中，由於雷達技術的發展，半導體器件——微波礦石檢波器的應用日趨成熟，在軍事上發揮了重要作用，這才引起了人們對半導體的興趣．許多科學家都投入到半導體的深入研究中．經過緊張的研究工作，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓三人捷足先登，合作發明了晶體管——一種三個支點的半導體固體元件．晶體管被人們稱為「三條腿的魔術師」．它的發明是電子技術史中具有劃時代意義的偉大事件，它開創了一個嶄新的時代——固體電子技術時代．他們三人也因研究半導體及發現晶體管效應而共同獲得1956年最高科學獎——諾貝爾物理獎．
肖克利小組與晶體管美國人威廉·肖克利，1910年2月13日生於倫敦，曾在美國麻省理工學院學習量子物理，1936年得到該校博士學位後，進入久負盛名的貝爾實驗室工作．貝爾實驗室是電話發明人貝爾創立的．在電子、特別在通訊領域是最有名氣的研究所，號稱「研究王國」．早在1936年，當時的研究部主任，後來的貝爾實驗室總裁默文·凱利就對肖克利說過，為了適應通訊不斷增長的需要，將來一定會用電子交換取代電話系統的機械轉換．這段話給肖克利留下了不可磨滅的印象，激起他滿腔熱情，把畢生精力投入到推進電子技術進步的事業中．沃爾特·布拉頓也是美國人，1902年2月10日出生在中國南方美麗的城市廈門，當時他父親受聘在中國任教．布拉頓是實驗專家，1929年獲得明尼蘇達大學的博士學位後，進入貝爾研究所從事真空管研究工作．溫文儒雅的美國人巴丁是一個大學教授的兒子，1908年在美國威斯康星州的麥迪遜出生，相繼於1928年和1929年在威斯康星大學獲得兩個學位．後來又轉入普林斯頓大學攻讀固體物理，1936年獲得博士學位．1945年來到貝爾實驗室工作．默文·凱利是一位頗有遠見的科技管理人員．他從30年代起，就注意尋找和採用新材料及依據新原理工作的電子放大器件．在第二次世界大戰前後，敏銳的科研洞察力促使他果斷地決定加強半導體的基礎研究，以開拓電子技術的新領域．於是，1945年夏天，貝爾實驗室正式決定以固體物理為主要研究方向，並為此制定了一個龐大的研究計劃．發明晶體管就是這個計劃的一個重要組成部分．1946年1月，貝爾實驗室的固體物理研究小組正式成立了．這個小組以肖克利為首，下轄若干小組，其中之一包括布拉頓、巴丁在內的半導體小組．在這個小組中，活躍著理論物理學家、實驗專家、物理化學家、線路專家、冶金專家、工程師等多學科多方面的人才．他們通力合作，既善於汲取前人的有益經驗，又注意借鑒同時代人的研究成果，博採眾家之長．小組內部廣泛開展有益的學術探討．「有新想法，新問題，就召集全組討論，這是習慣」．在這樣良好的學術環境中，大家都充滿熱情，完全沉醉在理論物理領域的研究與探索中．
開始，布拉頓和巴丁在研究晶體管時，採用的是肖克利提出的場效應概念．場效應設想是人們提出的第一個固體放大器的具體方案．根據這一方案，他們仿照真空三極體的原理，試圖用外電場控制半導體內的電子運動．但是事與願違，實驗屢屢失敗．
人們得到的效應比預期的要小得多．人們困惑了，為什麼理論與實際總是矛盾的呢？
問題究竟出在那裡呢？經過多少個不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一種新的理論——表面態理論．這一理論認為表面現象可以引起信號放大效應．表面態概念的引入，使人們對半導體的結構和性質的認識前進了一大步．布拉頓等人乘勝追擊，認真細致地進行了一系列實驗．結果，他們意外地發現，當把樣品和參考電極放在電解液里時，半導體表面內部的電荷層和電勢力發生了改變，這不正是肖克利曾經預言過的場效應嗎?這個發現使大家十分振奮．在極度興奮中，他們加快了研究步伐，利用場效應又反復進行了實驗．誰知，繼續實驗中突然發生了與以前截然不同的效應．這接踵而至的新情況大大出乎實驗者的預料．
人們的思路被打斷了，製作實用器件的原計劃不能不改變了，漸趨明朗的形勢又變得撲朔迷離了．然而肖克利小組並沒有知難而退．他們緊緊循著茫茫迷霧中的一絲光亮，改變思路，繼續探索．經過多次地分析、計算、實驗，1947年12月23日，人們終於得到了盼望已久的「寶貝」．這一天，巴丁和布拉頓把兩根觸絲放在鍺半導體晶片的表面上，當兩根觸絲十分靠近時，放大作用發生了．世界第一隻固體放大器——晶體管也隨之誕生了．在這值得慶祝的時刻，布拉頓按捺住內心的激動，仍然一絲不苟地在實驗筆記中寫道：「電壓增益100，功率增益40，電流損失1/2.5……親眼目睹並親耳聽聞音頻的人有吉布尼、摩爾、巴丁、皮爾遜、肖克利、弗萊徹和包文．」在布拉頓的筆記上，皮爾遜、摩爾和肖克利等人分別簽上了日期和他們的名字表示認同．
巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導體的某一點接觸，故稱點接觸晶體管．這種晶體管對電流、電壓都有放大作用．
晶體管發明之後基於嚴謹的科學態度，貝爾實驗室並沒有立即發表肖克利小組的研究成果．他們認為，還需要時間弄清晶體管的效應，以便編寫論文和申請專利．此後一段時間里，肖克利等人在極度緊張的狀態中忙碌地工作著．他們心中隱藏著一絲憂慮．如果別人也發明了晶體管並率先公布了，他們的心血就付之東流了．他們的擔心絕非多慮，當時許多科學家都在潛心於這一課題的研究．1948年初，在美國物理學會的一次會議上，柏杜大學的布雷和本澤報告了他們在鍺的點接觸方面所進行的實驗及其發現．當時貝爾實驗室發明晶體管的秘密尚未公開，它的發明人之一——布拉頓此刻就端坐在聽眾席上．布拉頓清楚地意識到布雷等人的實驗距離晶體管的發明就差一小步了．因此，會後布雷與布拉頓聊天時談到他們的實驗時，布拉頓立刻緊張起來．他不敢多開口，只讓對方講話，生怕泄密給對方，支吾幾句就匆匆忙忙地走開了．後來，布雷曾惋惜地說過：「如果把我的電極靠近本澤的電極，我們就會得到晶體管的作用，這是十分明白的．」由此可見，當時科學界的競爭是多麼的激烈！實力雄厚的貝爾實驗室在這場智慧與技能的角逐中，也不過略勝一籌．
晶體管發明半年以後，在1948年6月30日，貝爾實驗室首次在紐約向公眾展示了晶體管．這個偉大的發明使許多專家不勝驚訝．然而，對於它的實用價值，人們大都表示懷疑．當年7月1日的《紐約時報》只以8個句子、201個文字的短訊形式報道了本該震驚世界的這條新聞．在公眾的心目中，晶體管不過是實驗室的珍品而已．估計只能做助聽器之類的小東西，不可能派上什麼大用場．
的確，當時的點接觸晶體管同礦石檢波器一樣，利用觸須接點，很不穩定，雜訊大，頻率低，放大功率小，性能還趕不上電子管，製作又很困難．難怪人們對它無動於衷．然而，物理學家肖克利等人卻堅信晶體管大有前途，它的巨大潛力還沒有被人們所認識．於是，在點接觸式晶體管發明以後，他們仍然不遺餘力，繼續研究．又經過一個多月的反復思索，肖克利瘦了，眼中也布滿了血絲．一個念頭卻在心中越來越明晰了，那就是以往的研究之所以失敗，根本原因在於人們不顧一切地盲目模模擬空三極體．這實際上走入了研究的誤區．晶體管同電子管產生於完全不同的物理現象，這就暗示晶體管效應有其獨特之處．明白了這一點，肖克利當即決定暫時放棄原來追求的場效應晶體管，集中精力實現另一個設想——晶體管的放大作用．正確的思想終於開出了最美的花朵．1948年11月，肖克利構思出一種新型晶體管，其結構像「三明治」夾心麵包那樣，把N型半導體夾在兩層P型半導體之間．這是一個多麼富有想像力的設計啊！可惜的是，由於當時技術條件的限制，研究和實驗都十分困難．直到1950年，人們才成功地製造出第一個PN結型晶體管．
電子技術發展史上一座里程碑晶體管的出現，是電子技術之樹上綻開的一朵絢麗多彩的奇葩．同電子管相比，晶體管具有諸多優越性：①晶體管的構件是沒有消耗的．無論多麼優良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化．由於技術上的原因，晶體管製作之初也存在同樣的問題．隨著材料製作上的進步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍，稱得起永久性器件的美名．②晶體管消耗電子極少，僅為電子管的十分之一或幾十分之一．它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產生自由電子．一台晶體管收音機只要幾節干電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的．③晶體管不需預熱，一開機就工作．例如，晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現畫面．電子管設備就做不到這一點．開機後，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面．顯然，在軍事、測量、記錄等方面，晶體管是非常有優勢的．④晶體管結實可靠，比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的．另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用於設計小型、復雜、可靠的電路．晶體管的製造工藝雖然精密，但工序簡便，有利於提高元器件的安裝密度．正因為晶體管的性能如此優越，晶體管誕生之後，便被廣泛地應用於工農業生產、國防建設以及人們日常生活中．1953年，首批電池式的晶體管收音機一投放市場，就受到人們的熱烈歡迎，人們爭相購買這種收音機．接著，各廠家之間又展開了製造短波晶體管的競賽．此後不久，不需要交流電源的袖珍「晶體管收音機」開始在世界各地出售，又引起了一個新的消費熱潮．
由於硅晶體管適合高溫工作，可以抵抗大氣影響，在電子工業領域是最受歡迎的產品之一．從1967年以來，電子測量裝置或者電視攝像機如果不是「晶體管化」的，那麼就別想賣出去一件．輕便收發機，甚至車載的大型發射機也都晶體管化了．
另外，晶體管還特別適合用作開關．它也是第二代計算機的基本元件．人們還常常用硅晶體管製造紅外探測器．就連可將太陽能轉變為電能的電池——太陽能電池也都能用晶體管製造．這種電池是遨遊於太空的人造衛星的必不可少的電源．晶體管這種小型簡便的半導體元件還為縫紉機、電鑽和熒光燈開拓了電子控制的途徑．從1950年至1960年的十年間，世界主要工業國家投入了巨額資金，用於研究、開發與生產晶體管和半導體器件．例如，純凈的鍺或硅半導體，導電性能很差，但加入少量其它元素(稱為雜質)後，導電性能會提高許多．但是要想把定量雜質正確地熔入鍺或硅中，必須在一定的溫度下，通過加熱等方法才能實現．而一旦溫度高於攝氏75度，晶體管就開始失效．為了攻克這一技術難關，美國政府在工業界投資數百萬美元，以開展這項新技術的研製工作．在這樣雄厚的財政資助下，沒過多久，人們便掌握了這種高熔點材料的提純、熔煉和擴散的技術．特別是晶體管在軍事計劃和宇宙航行中的威力日益顯露出來以後，為爭奪電子領域的優勢地位，世界各國展開了激烈的競爭．為實現電子設備的小型化，人們不惜成本，紛紛給電子工業以巨大的財政資助．
自從1904年弗萊明發明真空二極體，1906年德福雷斯特發明真空三極體以來，電子學作為一門新興學科迅速發展起來．但是電子學真正突飛猛進的進步，還應該是從晶體管發明以後開始的．尤其是PN結型晶體管的出現，開辟了電子器件的新紀元，引起了一場電子技術的革命．在短短十餘年的時間里，新興的晶體管工業以不可戰勝的雄心和年輕人那樣無所顧忌的氣勢，迅速取代了電子管工業通過多年奮斗才取得的地位，一躍成為電子技術領域的排頭兵．現代電子技術的基礎誠然，電子管的發明使電子設備發生了革命性變化．但是電子管體大易碎，費電又不可靠．因此，晶體管的問世被譽為本世紀最偉大的發明之一，它解決了電子管存在的大部分問題．可是單個晶體管的出現，仍然不能滿足電子技術飛速發展的需要．隨著電子技術應用的不斷推廣和電子產品發展的日趨復雜，電子設備中應用的電子器件越來越多．比如二次世界大戰末出現的B29轟炸機上裝有1千個電子管和1萬多個無線電元件．電子計算機就更不用說了．1960年上市的通用型號計算機有10萬個二極體和2.5萬個晶體管．一個晶體管只能取代一個電子管，極為復雜的電子設備中就可能要用上百萬個晶體管．一個晶體管有3條腿，復雜一些的設備就可能有數百萬個焊接點，稍一不慎，就極有可能出現故障．為確保設備的可靠性，縮小其重量和體積，人們迫切需要在電子技術領域來一次新的突破．1957年蘇聯成功地發射了第一顆人造衛星．這一震驚世界的消息引起了美國朝野的極大震動，它嚴重挫傷了美國人的自尊心和優越感，發達的空間技術是建立在先進的電子技術基礎上的．為奪得空間科技的領先地位，美國政府於1958年成立了國家航空和宇航局，負責軍事和宇航研究，為實現電子設備的小型化和輕量化，投入了天文數字的經費．就是在這種激烈的軍備競賽的刺激下，在已有的晶體管技術的基礎上，一種新興技術誕生了，那就是今天大放異彩的集成電路．有了集成電路，計算機、電視機等與人類社會生活密切相關的設備不僅體積小了，功能也越來越齊全了，給現代人的工作、學習和娛樂帶來了極大便利．那麼，什麼是集成電路呢？集成電路是在一塊幾平方毫米的極其微小的半導體晶片上，將成千上萬的晶體管、電阻、電容、包括連接線做在一起．真正是立錐之地布千軍．它是材料、元件、晶體管三位一體的有機結合．
集成電路的問世是離不開晶體管技術的，沒有晶體管就不會有集成電路．本質上，集成電路是最先進的晶體管——外延平面晶體製造工藝的延續．集成電路設想的提出，同晶體管密切相關．1952年，英國皇家雷達研究所的一位著名科學家達默，在一次會議上曾指出：「隨著晶體管的出現和對半導體的全面研究，現在似乎可以想像，未來電子設備是一種沒有連接線的固體組件．」雖然達默的設想並未付諸實施，但是他為人們的深入研究指明了方向．
後來，一個叫基爾比的美國人步達默的後塵，走上了研究固體組件這條崎嶇的小路．基爾比畢業於伊利諾斯大學電機工程系．1952年一個偶然機會，基爾比參加了貝爾實驗室的晶體管講座．富於創造性的基爾比一下子就被晶體管這個小東西迷住了．
當時，他在一家公司負責一項助聽器研究計劃．心系晶體管的基爾比不由自主地想把晶體管用在助聽器上，他果然獲得了成功．他研究出一種簡便的方法，將晶體管直接安裝在塑料片上，並用陶瓷密封．初步的成功使他對晶體管的興趣與日俱增．為尋求更大的發展，基爾比於1958年5月進入得克薩斯儀器公司．當時，公司正參與美國通信部隊的一項微型組件計劃．基爾比非常希望能在這一計劃中一顯身手．強烈的自尊促使他決心憑自己的智慧和努力進入這一計劃．於是，他常常一個人埋頭在工廠，思考採用半導體製造整個電路的途徑．記不清多少次苦苦思索，多少回實驗，多少次挫折，經過長時間的孤軍奮戰，到1959年，一塊集成電路板終於在基爾比的手中誕生了．
同年3月，這一產品被拿到無線電工程師協會上展出．得克薩斯公司當時的副總裁謝潑德自豪地宣布，這是「硅晶體管後得克薩斯儀器公司最重要的開發成果」．在晶體管技術基礎上迅速發展起來的集成電路，帶來了微電子技術的突飛猛進．
微電子技術的不斷進步，極大降低了晶體管的成本，在1960年，生產1隻晶體管要花10美元，而今天，1隻嵌入集成電路里的晶體管的成本還不到1美分．這使晶體管的應用更為廣泛了．
不僅如此，微電子技術通過微型化、自動化、計算機化和機器人化，將從根本上改變人類的生活．它正在沖擊著人類生活的許多方面：勞動生產、家庭、政治、科學、戰爭與和平．
回答者：jewiceljasy - 經理 五級
『貳』 成長可見——科學單元講座
教科版四年級下冊的科學教材由「電」、「新的生命」、「食物」、「岩石和礦物」四個單元構成。
針對於「電」這一單元，我將從以下四個方面來進行解讀：單元概述、單元教學目標、單元內容解讀、單元教學建議。
四年級的學生，對科學課有了一定的學習基礎，已經初步構建了自己的科學思維方式，也有過一些探究活動的經歷，具備了一定的實驗操作能力，求知慾和參與科學活動的願望明顯增強。
在「電」單元中，學生將藉助導線、燈泡、電池等電器元件開展許多有趣的探究活動，初步建立與電有關的科學概念。通過「電」單元的學習，學生對科學概念的理解及探究能力會得到同步發展，對電的興趣和安全用電的意識將得到進一步的增強。
「電」單元，是小學物質科學領域的學習內容，指向「電可以在特定物質中流動，電是日常生活中不可缺少的一種能源」這一科學核心概念。這一單元將通過與電相關內容的實驗、交流、預測、檢驗、測量和推理、解釋等活動，使學生形成關於電的初步概念，同時獲得一些基本實驗操作技能。
我們剛剛提到過「電」這一單元的內容屬於物質科學領域課程，物質科學是小學科學課程內容的四大領域之一。課程標准中有關小學科學的主要概念有三分之一是通過學習物質科學領域的課程內容加以建構的，因此，准確把握課程標准中物質科學領域的課程內容與要求對於有效提高小學科學教學質量，促進小學生科學素養的形成和發展具有重要意義。
在物質科學領域的教學中，教師應幫助學生形成以下6個主要概念：
第1個主要概念：物體具有一定的特徵，材料具有一定的性能。
第2個主要概念：水是一種常見而重要的單一物質。
第3個主要概念：空氣是一種常見而重要的混合物質。
第4個主要概念：物體的運動可以用位置、快慢和方向來描述。
第5個主要概念：力作用於物體，可以改變物體的形狀和運動狀態。
第6個主要概念：機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式。
本單元的學習需要教師幫助學生形成主要概念是第六個：
第6個主要概念：機械能、聲、光、熱、電、磁是能量的不同表現形式。
根據課程標准中這一主要概念涉及到的學習內容，不同學段有不同的要求和學習目標。針對3~4年級學生的學習目標定位有下面幾點：
靜電現象是物質在外力作用下電荷位置發生變化所產生的帶電現象。
電荷有正電荷和負電荷兩種，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。
電荷的持續定向流動就形成了電流。
要使電流經過導線使小燈泡發光，需要有一個完整的電路。
有的物質容易導電，這樣的物質稱為導體；有的物質不容易導電，這樣的物質稱為絕緣體。
開關通過連接和斷開電路來控制電路中用電器的工作狀態。
組裝簡單電路，並用簡單電路圖表示電路的連接方式。
製作一個簡單的開關，並用它來控制電路。
用電路檢測器檢驗電路中的故障、導體、絕緣體。
用電路檢測器探究接線盒裡電路的連接情況。
在關於電的探究活動中，進行預測、觀察、描述和記錄實驗的結果。
知道安全用電的重要性。
激發探究電的興趣。
發展探究和解決問題的信心。
了解電在生活、生產中的運用，體會電與人類的密切關系。
珍惜電能源，並認識到它的重要性。
「電」單元共有7節課。前後課之間有著學生認識發展上的邏輯關系。學生從認識電的本質——電荷開始，到認識電路、電流、開關、電路檢測器、導體、絕緣體，這一系列的探究活動將最終指向對電的認識。
教材內容解讀與建議：
本課是「電」單元的起始課。
第一部分，體驗靜電現象。
主要是讓學生通過對靜電現象的觀察、了解，能夠對「電」的本質有一個初步的認識，接下來讓學生交流他們所知道的靜電現象，教師可以向學生介紹一些靜電現象。可以通過一些照片或影片的形式展示更多的靜電現象，讓學生感受到其實電並不神秘，它就存在於我們身邊的一切物質之中，為學生後面學習電的其他知識打下基礎。
第二部分，不一樣的電荷，主要是引導學生認識不同的電荷以及電荷之間的相互作用。
這部分有兩個實驗活動：
1.用充氣氣球摩擦羊毛製品後，在用這個氣球的摩擦面靠近頭發，觀察有什麼現象發生。
2.讓兩個都用羊毛製品摩擦過的充氣氣球相互靠近，觀察有什麼現象發生。
在前面認識的基礎上，我們可以通過一些微課視頻來向學生介紹靜電現象產生的原因。然後通過分組觀察這兩個實驗，探究電荷之間的相互作用。當學生觀察了上面這兩個實驗後，組織學生對兩個實驗中觀察到的現象進行整理和分析。兩個摩擦後的物體，有時相互吸引，有時相互排斥，引導學生對這一現象進行完整的解釋。教師可以引導學生把這一現象和以前學習到的磁鐵進行類比，加深學生對電荷之間相互作用的理解。
第三部分，讓電荷流動起來主要是讓學生認識電流的形成。
帶不同電荷的物體，相互靠近後會相互吸引，但吸引一會兒後，再去靠近，相互吸引的現象就會消失，這是因為帶不同電荷的物體在相互靠近後，帶負電荷物體上的多與電子又會回到缺少電子的帶正電荷物體上，當兩個物體上的電荷恢復平衡後，就會恢復到不帶電的狀態。教師可以通過小游戲來幫助學生體會負電荷的移動現象。然後引導學生認識到電荷在物體之間不斷地流動，就會產生電流，我們日常生活中的電器就是靠電流來維持工作的。然後結合學生對生活中各種用電器的了解，認識到想要得到持續的電流，必須有一個電荷流動的路徑——電路和為電荷持續流動提供動力的電源。
本課知識點梳理：
靜電存在於一切物質中，包括人類在內的生物和非生物。
電荷包括正電荷和負電荷。
摩擦能夠使電荷發生轉移，使物體帶電。
同種電荷相斥，異種電荷相吸。
電流分為摩擦形成的電、雷電和日常使用的電。
電流形成的條件必須要有電源和電路。
電路是由電源、用電器、導線、電器元件等連接而成的電流通路。
教材內容解讀與建議：
電燈是日常生活中不可缺少的用品，它究竟是如何工作的呢？在這一課中學生將通過使用簡單的電池、導線、使小燈泡發光，並且探究使小燈泡發光的不同連接方式，激發學生探究電的興趣。
第一部分，小燈泡的構造。
教材首先引導學生對電路中的材料及其結構進行觀察和認識。其中了解小燈泡的結構是觀察的重點，教科書的插圖提供了小燈泡的解剖圖，幫助學生了解小燈泡的結構，當了解了小燈泡的結構後再提供給學生導線、、電池和小燈泡，仔細觀察這些材料將有助於學生對電路的理解。當學生對這些材料有了初步的認識之後，鼓勵學生嘗試使用這些材料來點亮小燈泡。指導學生觀察小燈泡的連接裝置是這部分教學的重點，猜猜電在小燈泡里是怎樣流動的？電流從小燈泡的一個連接點進入，經過燈絲再從另一個連接點流出才能使小燈泡發光。
第二部分，點亮小燈泡。
教材分別提供了4種不同的電路連接方式圖片供學生思考，這四種連接方式比較典型，建議讓學生都嘗試連一連，比較它們各自的特點。
第三部分，課後延伸。
教材安排學生課後對家裡的用電情況進行調查，一方面培養學生的調查和統計能力，豐富學生關於電的認識，還為學生發現電的更多問題提供了很好的機會，進一步激發學生研究電的興趣，一定要對學生用電安全教育。
本課知識點梳理：
小燈泡的構造：玻璃泡、燈絲、金屬架和兩個連接點。
電流通過小燈泡的路徑：電流從一個連接點進入，通過燈絲，從另一個連接點流出。
小燈泡不同的連接方式會有三種情況發生：通路、短路、斷路。通路-小燈泡亮；短路-小燈泡不亮，電池和導線會發熱發燙，電池壽命縮短；斷路-小燈泡熄滅。
電池是一種攜帶型電源。電池兩端銅帽端是正極，鋅殼端是負極。
日常中的電有交流電和干電池電，交流電分為家用交流電220伏特，高壓電5500伏特，都會觸發事故，致人死亡。干電池電1.5伏特，沒有觸電危險。
教材內容解讀與建議：
學生已經可以自己建立使小燈泡亮起來的簡單電路，在這一課中學生將學會使用新的裝置小燈座和電池盒用導線連接完整的電路。
第一部分，帶燈做到電路。
關於電路學生已經獲得了一定的經驗，能夠用一根導線一節電池使小燈泡發光，但是在操作過程中，他們會發現用手按住導線的兩頭與電池和小燈泡連接很不方便，小燈座和電池盒就解決了這個問題。先讓學生仔細觀察這些元件的構造，想想這些構造的用處，再根據教科書的引導來進行進行安裝。對實驗結果進行記錄是科學學習的一種方法。小燈泡亮了以後，可以教學生用簡單電路圖的形式進行記錄。
第二部分，讓更多的燈泡亮起來。
這部分是在學生已經學會使用電池盒和小燈座後，用這些材料來組建比較復雜的電路，點亮更多燈泡，就意味著要提供更多的材料，讓學生根據已掌握的電路知識，討論他們的想法，實際操作。
本課知識點梳理：
簡單電路的連接和簡單電路圖，如圖所示。
簡單電路的構成：電源導線用電器開關，電源導線用電器是必須要有的，開關不是必須的。
用不同的方法連接兩個小燈泡：串聯和並聯，都可以讓小燈泡發光。
教材內容解讀與建議：
這一課強調的是問題的解決能力。在老師的引導下，學生將經歷發現問題，分析問題，解決問題的一系列實踐活動，發展學生解決問題的能力。
第一部分，什麼地方出故障了。
這一部分有兩個主要活動：
1.明確迴路的概念。
教材一開始就讓學生對前面的學習內容進行整理，引導學生在前面學習的基礎上強化有關電路是一個閉合環路的概念。
2.整理可能造成小燈泡不亮的各種原因。
引導學生整理小燈泡不亮的各種原因就是發掘學生已有知識和經驗的過程，要給他們一定的時間盡可能的多分析電路出故障的可能，並做好記錄。
第二部分，做個電路檢測器。
教材中對做電路檢測器的方法做了具體的說明，需要注意的是，做好電路檢測器後一定要試試靈不靈。
本課知識點梳理：
造成小燈泡不亮的原因可能是：小燈泡壞了；燈座鬆了；燈絲斷了；導線沒有接好；燈泡沒有接好等，這些原因都可以通過檢測、替換的方法得到解決。
檢測故障的方法：檢查法、替換法、電路檢測器。電路檢測器不能檢測家用220V的電器電路。
利用電路檢測器檢測故障電路之前要切斷電源、拿出故障電路電池，確定電路檢測器的完好後，再檢測電池、檢測元件小燈泡，檢測導線。
教材內容解讀與建議：
經過前面幾節課的學習，學生已經獲得了一些關於電以及電是如何工作的知識，在這一課中他們會發現將身邊的物體連接到電路中時，情況是不一樣的，導體是一種允許電流通過他們的物質，絕緣體是電流不能通過的物質，導體和絕緣體在電流中是同樣重要的組成部分。
第一部分：檢測身邊的物體是否導電。
導體與絕緣體是組成電路的重要材料，導線外麵包著塑料，導線裡面是銅絲，銅絲能讓電流通過，而塑料不能讓電流通過。教材首先通過引導學生觀察這樣的事實，並運用前面學習到的關於電的知識，讓學生明確我們身邊的物體中有些物體能夠導電，而有些物體時不能夠導電。
教材以檢測一塊橡皮的導電性作為研究的開始，用電路檢測器檢測一塊兒橡皮是簡單的，這里教材編寫者的意圖顯然不在於這一塊兒橡皮的檢測結果，而在於展一項有價值的研究活動。教材描述了用電路檢測器檢測一塊兒橡皮的完整過程，讓學生明確知道這一檢測過程和這樣做的意義。接下來學生開始研究我們周圍的物體中哪些是導體，哪些是絕緣體並對這些物體進行檢測、分析、記錄。最後讓學生整理出哪些是導體，哪些是絕緣體，並說說導體和絕緣體各自的特點。
第二部分，教室里電器設備的絕緣材料。
可以讓學生們討論。教室和家裡哪些地方用到了導體哪些地方用到了絕緣體？導體和絕緣體各有什麼作用？
本課知識點梳理：
導體易導電。
絕緣體不易導電。
利用電路檢測器可以探究身邊的物體是否導電，要做到預測，記錄、檢測、反復檢測、整理分類的步驟。
教室里電器設備的絕緣材料有哪些。
教材內容解讀與建議：
開關是所有電路的重要組成部分，學生每天都在使用各種各樣的開關控制著電路。在前面的學習中學生一直在採用斷開連接或取下電池盒中電池的方法來斷開電路，他們可能會覺得這樣做很麻煩，在這一課中學生將首先觀察手電筒的結構，了解手電筒的開關是怎樣控制手電筒電路的斷開和閉合的，在利用身邊的材料製作一個開關，並用它來控制電路，在製作小開關的過程中學生要思考小開關的什麼地方需要用導體來製作，什麼地方需要用絕緣體來製作。
本課知識點梳理：
開關是控制電流通斷的元件，管控著電路的工作狀態。
觀察手電筒，外殼和開關是絕緣體，內部彈簧是導體。
開關的種類有：遙控開關，閘門開關、按壓開關、旋鈕開關、拉線開關。
利用身邊的材料製作小開關所需要的材料有回形針、圖釘、軟木塊。
教材內容解讀與建議：
很多用電器其實就是一個黑匣子，我們只能看到它外面的樣子，而難以看到它的內部結構，但不管多麼復雜的用電器，都是用一些簡單電路通過不同的連接方式組合而成的，本節課學生將用電路檢測器探究接線盒內部的電路是怎樣連接的，並探究不同電路連接方法的區別，觀察描述發現不同電路的特點。
本課知識點梳理：
將電池串聯或並聯，電池串聯，燈泡亮，電池並聯燈泡暗，原因：當電池串聯時，電池電壓等於一節電池電壓，當電池並聯時，電池電壓等於兩節電池之和。
將燈泡串聯或並聯，串聯，燈泡暗，並聯燈泡亮。原因：當燈泡串聯時，燈泡亮端電壓等於一節點是電壓的一半，當燈泡並聯時，燈泡亮端電壓等於一節電池的電壓。
提前做好整個單元的實驗材料准備。
了解學生對所學科學主題的初始想法。
指導學生對實驗結果進行比較和描述。
積極倡導小組合作學習。
引導學生在觀察和實驗的過程中做好記錄。
引導學生用准確、恰當的詞彙描述觀察到的現象和事實。
指導學生對觀察和實驗結果進行整理、加工，形成正確的解釋。
安全教育貫穿始終。
靜電實驗:氣球、線繩,塑料梳子、碎紙屑。
電路實驗:小燈泡、小燈座、電池、電池盒、導線、回形針、小木板(或大橡皮)、小開關,紅燈、綠燈、黃燈、具有4個和6個接線頭的盒子。
導電性實驗(20種):橡皮、木質材料(小木片、小木棒等)、塑料材料、陶瓷材料、金屬材料、絲、棉、皮、各類布料(濕和干)、鉛筆、鋼筆和玻璃等。
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感謝各位老師的傾聽，敬請指正，期待與大家有更多的交流，祝老師們生活愉快。
主講人：何鑫彤
學校： 農安縣合隆實驗學校
2020.2.19