陳波

【摘 要】物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。所有的物理概念、規(guī)律和理論，都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，所以說(shuō)物理實(shí)驗(yàn)是高考物理的主要內(nèi)容之一。在高中物理學(xué)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)探究是一個(gè)重要且基礎(chǔ)的部分。而電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中物理實(shí)驗(yàn)中的重要部分，是物理實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。因此，探討高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略對(duì)提高高中物理教學(xué)具有非常重要的意義。在高中物理電學(xué)的教學(xué)工作中，教授理論知識(shí)與理論實(shí)驗(yàn)相結(jié)合可幫助學(xué)生們理解、記憶抽象的物理知識(shí)。搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有非常重要的意義。因此，就物理學(xué)中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，電流表電壓表所應(yīng)用的無(wú)線電壓和電流傳感器的理論技術(shù)進(jìn)行探討也是非常重要的。

【關(guān)鍵詞】物理學(xué);高中教學(xué);物理實(shí)驗(yàn);無(wú)線電壓

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在物理學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)由始至終都發(fā)揮著極其重要的作用。而中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的觀察、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，科學(xué)的思維、分析和解決問(wèn)題能力的主要課程之一。李政道先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“教物理重要的是讓學(xué)生懂道理……”根據(jù)中學(xué)物理教學(xué)的目的和教學(xué)大綱的基本要求，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)使學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法上有一個(gè)實(shí)在的感受，從而培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)造性，并受到科學(xué)方法的教育。

在所有的高中物理實(shí)驗(yàn)中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)占據(jù)著舉足輕重的位置，幾乎在每年的理綜試卷中，都會(huì)出現(xiàn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問(wèn)題，這也是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而講到電學(xué)實(shí)驗(yàn)，就不得不提到兩件基本的電學(xué)測(cè)量?jī)x器——電流表和電壓表。

在我國(guó)高中物理實(shí)驗(yàn)室中，常見(jiàn)的電流表和電壓表主要分為兩大類：一類是傳統(tǒng)的指針式電表。這類電表的顯示方式是純模擬（指針的偏轉(zhuǎn)角度）的，形象直觀的，不需要任何的翻譯或解釋。但該電表的讀數(shù)和記錄工作不太方便，容易產(chǎn)生較大的誤差，從而影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。另一類就是電流、電壓傳感器，這是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)電流的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。這套設(shè)備能快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地采集實(shí)驗(yàn)信息，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示，由計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行分析處理。但是對(duì)于可運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，數(shù)字實(shí)驗(yàn)無(wú)法給予學(xué)生親身經(jīng)歷的感受，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，難以激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，雖然大大提高了課堂的效率，但容易導(dǎo)致學(xué)生過(guò)于依賴計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，學(xué)生自身的計(jì)算水平無(wú)法得到提高。

兩種裝置有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而筆者則很好地結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并運(yùn)用于實(shí)踐，獲得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)效果。下面，筆者就該實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和原理做一個(gè)詳細(xì)的介紹：

無(wú)線電壓、電流傳感器

高中物理里使用的電壓表和電流表都是將表頭進(jìn)行改裝（串聯(lián)或并聯(lián)電阻）后得到的。表頭的電阻大概為幾十歐姆，最大電流大概為幾毫安，所以改裝成電壓表后的電阻大概為幾千歐姆，改裝成電流表后的電阻大概為零點(diǎn)幾歐姆。

Arduino模擬電壓輸入端的可測(cè)量的最大電壓為5V，10位精度（即大概可以精確到0.005V），如果直接將模擬電壓輸入端作為電壓傳感器，也足以滿足高中物理電學(xué)測(cè)量的精度要求，所以可以直接將傳統(tǒng)的電壓表直接改裝成電壓傳感器，直接將Arduino的模擬電壓輸入端并聯(lián)到電壓表兩個(gè)接線柱上，由于Arduino模擬電壓輸入端的輸入阻抗在1兆歐姆以上，并聯(lián)在電壓表上后基本不改變電壓表的內(nèi)阻。下圖為電壓表改裝后的實(shí)物圖，電源可以內(nèi)置在電壓表內(nèi)部。

傳統(tǒng)的電流表的內(nèi)阻大概為零點(diǎn)幾歐姆，在測(cè)量時(shí)，電流表兩端的電壓大概為幾十毫伏。由于Arduino只有模擬電壓輸入端，沒(méi)有電流輸入端，而模擬電壓輸入端精度只有5毫伏，無(wú)法直接并聯(lián)在電流表兩端來(lái)測(cè)量。所以通過(guò)將電流表兩端的電壓進(jìn)行放大后再用Arduino的模擬電壓端來(lái)測(cè)量，下圖中接了一個(gè)放大倍數(shù)為1000倍的線性放大電路。最后通過(guò)測(cè)量找到最后輸出電壓與電流的關(guān)系，然后將所測(cè)得的電壓進(jìn)行計(jì)算后得到通過(guò)電流表的電流值。下圖為改裝完成的無(wú)線電流表實(shí)物圖。

優(yōu)勝劣汰，是大自然的生存法則，對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備亦是如此。取精華，去糟粕，將實(shí)驗(yàn)的效力發(fā)揮到最大，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的終極目標(biāo)，也一直是筆者所追求的。

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（作者單位：浙江省寧波中學(xué)）