陳小雅

摘 要：本文利用自制教具，創(chuàng)造性地使用教材，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計并探究電解質(zhì)溶液（硫酸鈉溶液）的電阻與其長度、橫截面積的關(guān)系，幫助學(xué)生更全面地認識電阻定律。

關(guān)鍵詞：液體電阻；電阻定律；長度；橫截面積

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）3-0032-4

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出：“倡導(dǎo)不受某一種教科書的束縛，吸收和利用各種有利于學(xué)生發(fā)展的課程資源。教師應(yīng)根據(jù)本校特點和學(xué)生的需求，精選課程資源，充實物理課程的教學(xué)內(nèi)容?！笨梢?，在新課程背景下，教師不能再只是“教材的消費者”，更應(yīng)努力成為“教材的開發(fā)者”。另外，由于教材編寫受科學(xué)性、完整性和邏輯性的要求，往往會缺乏趣味性。而從教科書演變成實際教學(xué)活動的過程，又需要師生積極互動、智力交鋒、相互啟迪、設(shè)問釋疑、輕松和諧的氛圍，單純的教材是無法滿足教學(xué)要求的。因此，二次開發(fā)教材，提高教學(xué)的有效性是每位教師都應(yīng)努力的方向。那么，如何進行教材的二次開發(fā)呢？

以“司南版”高中物理選修3-1第三章第二節(jié)《電阻》為例，教材分為“探究電阻大小影響因素”和“身邊的電阻”兩部分。筆者根據(jù)所教學(xué)生的具體情況以及校本資源儲備，對該部分教材進行了二次開發(fā)。

（1）補充教材內(nèi)容：增加了探究電阻大小受溫度、光照、溶質(zhì)和濃度等因素影響的系列實驗作為引入，補充介紹液體電阻啟動柜等知識，既增強了趣味性，又拓寬了學(xué)生的知識面。

（2）調(diào)整教學(xué)順序：將“身邊的電阻”調(diào)到探究實驗之前，作為引入實驗和液體電阻的銜接，使教學(xué)過渡更自然。

（3）替換教學(xué)內(nèi)容：教材中采用幾條同材料同規(guī)格的金屬絲串聯(lián)改變長度、并聯(lián)改變橫截面積的方法，讓學(xué)生定量探究電阻大小的影響因素。該方法設(shè)計巧妙，能夠達到實驗?zāi)康摹５粔蛑苯?，且電路的連接較為繁雜。教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在連接電路時要花大量的時間，從而導(dǎo)致后面的分析討論非常緊張，重點不能突出?？紤]到在初中階段，學(xué)生已嘗試過利用金屬絲定性探究電阻大小與其長度、橫截面積的關(guān)系，而電阻定律不僅適用于金屬導(dǎo)體，也適用于均勻的電解質(zhì)溶液。為了讓高中學(xué)生對電阻定律有更寬廣、更深入的認識，筆者自制簡單的教具，將定量探究的對象由固體電阻改為液體電阻——硫酸鈉溶液。引導(dǎo)學(xué)生利用自制的教具自主設(shè)計實驗進行探究，得出電阻定律。

教材二次開發(fā)后的具體教學(xué)設(shè)計如下。

1 引入：“謙卑而又萬能的電阻”（演示實驗）

【實驗準(zhǔn)備】

光敏電阻、熱敏電阻各一個，三極管放大器、小燈泡各兩個，電池四個，涼水和開水各一杯，手電筒一把，導(dǎo)線若干。

1.1 光照對光敏電阻的影響

【學(xué)生觀察】

光照越強，小燈泡越亮。

【現(xiàn)象分析】

光敏電阻的阻值隨光照增強而減小。

1.2 溫度對熱敏電阻的影響（對比浸入開水和涼水）

【學(xué)生觀察】

溫度越高，小燈泡越亮。

【現(xiàn)象分析】

熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小。

【應(yīng)用討論】

光敏電阻可用于路燈自動開關(guān)等電路的自動化控制；熱敏電阻可用于火警報警電路的自動化控制。

1.3 展示不同種類電阻器的圖片，認識“身邊的電阻”

【設(shè)計意圖】

讓學(xué)生初步了解電阻大小的影響因素，并體驗電阻器在自動化控制中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 液體電阻

【銜接】

不僅固體可以充當(dāng)電阻，液體也可以充當(dāng)電阻。

2.1 展示圖片：液體電阻啟動柜及水阻箱

【介紹】

這是工業(yè)上大中型電機啟動時用的液體電阻啟動柜。水阻箱內(nèi)裝了電解質(zhì)溶液可以充當(dāng)電阻。它是怎樣工作的呢？

【設(shè)計意圖】

通過聯(lián)系生產(chǎn)中的大型設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注STS，體會物理在生產(chǎn)中的貢獻，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的欲望，同時又為后面的探究實驗做鋪墊。

2.2 演示實驗：溶質(zhì)及濃度對液體電阻的影響

【實驗準(zhǔn)備】

電解質(zhì)溶液導(dǎo)電演示器（化學(xué)實驗室借用）、高中學(xué)生電源（選擇“交流”）各一臺，現(xiàn)榨橘汁、自來水各一杯，同濃度鹽水、硫酸鈉溶液各一杯，無水硫酸鈉粉末，導(dǎo)線若干。

【學(xué)生觀察與分析】

（1）連接好電路，接通10 V交流電后，同濃度食鹽水支路的小燈泡最亮，硫酸鈉溶液支路的小燈泡發(fā)光但較暗，橘汁和自來水支路的小燈泡不發(fā)光。可見，液體電阻受溶質(zhì)影響。

（2）濃度對液體電阻有何影響？

在硫酸鈉溶液中適量增加無水硫酸鈉粉末，小燈泡變亮?？梢?，液體電阻受濃度影響。

（3）如何讓與橘汁串聯(lián)的燈泡發(fā)光？還有什么方法可以使其亮度發(fā)生變化？

①改變橘汁中兩極板的間距。隨極板間距減小，小燈泡變亮；隨極板間距增大，小燈泡變暗。可見，液體電阻大小與其接入電路的長度有關(guān)。

②將兩極板平行上下移動。

（4）極板平行上下移動改變的是什么物理量？

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)連接方式，找出相應(yīng)的長度和橫截面積并總結(jié)：

長度L：沿電流方向；

橫截面積S：垂直于電流方向。

可見，極板上下移動改變了液體電阻的高度，從而改變了液體電阻的橫截面積。

【設(shè)計意圖】

通過演示實驗讓學(xué)生初步感受液體電阻大小的影響因素，減少學(xué)生實驗探究的任務(wù)，同時為控制變量做準(zhǔn)備。另外，果汁電阻與學(xué)生生活聯(lián)系緊密，讓學(xué)生體會電阻無處不在，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。

3 電阻大小的影響因素

3.1 師生總結(jié)

電阻大小與以下因素有關(guān)：

（1）與材料、溫度、光照、液體濃度等有關(guān)；

（2）長度；

（3）橫截面積。

【提出問題】

電阻大小與長度、橫截面積是怎樣的關(guān)系？

【學(xué)生猜想】

電阻隨長度的增大而增大，隨橫截面積的增大而減小。

【進一步提問】

電阻大小與長度、橫截面積具有怎樣的定量關(guān)系？

【學(xué)生猜想】

電阻與長度成正比，與橫截面積成反比。

【教師說明】

隨著一個量的增大而增大不一定是成正比，隨一個量的增大而減小也不一定是成反比，它們具體是什么關(guān)系？我們需要通過實驗來研究。

3.2 實驗設(shè)計

（1）實驗方法：控制變量法

【提問】

如何控制變量？

【學(xué)生】

控制S、材料等不變，改變L，研究R與L的關(guān)系；

控制L、材料等不變，改變S，研究R與S的關(guān)系。

（2）引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗器材設(shè)計實驗

【提出問題】

如何改變長度？如何改變橫截面積？

展示自制教具：

【提出問題】

如何根據(jù)桌面上的器材設(shè)計實驗？

【引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計】

①通過保持極板插入的深度不變，改變兩極板間距，即可改變接入的液體電阻的長度；

②通過固定兩極板的距離，定量增加液體，即可改變接入液體的橫截面積。

【提出問題】

如何測電阻？

【學(xué)生】

伏安法。

【儀器介紹】

高中學(xué)生電源：使用交流電壓4 V輸出，以減小溶液中正負離子由于電解而使相對濃度改變。交流電流表：選擇量程100 mA，最小刻度2 mA，注意讀數(shù)。

交流電壓表：量程5 V，最小刻度0.2 V，注意讀數(shù)。

【實驗電路】

電源、液體電阻、交流電流表串聯(lián)，交流電壓表并聯(lián)在液體電阻兩端。

【注意事項】

（1）注意保持兩極板（銅片）平行且相對；

（2）讀數(shù)時，應(yīng)正視刻度，保持視線與刻度面垂直；

（3）每次讀數(shù)后應(yīng)立刻關(guān)閉電源再進行下一步操作，以減小溫度對電阻的影響；

（4）實驗結(jié)束后，應(yīng)注意溶液的回收再利用。

【設(shè)計意圖】

這是本節(jié)課的創(chuàng)新所在。

本實驗裝置，連線及測量都很簡單，學(xué)生看到裝置都能在教師的引導(dǎo)下進行設(shè)計。另外，對于固體電阻，學(xué)生比較熟悉，在初中已定性探究過了。而對于液體電阻，學(xué)生相對陌生些。通過這個實驗可以加強學(xué)生對液體電阻的認識。選擇硫酸鈉溶液的好處是其電解后不會產(chǎn)生有毒氣體，安全。液體電阻的另一優(yōu)點是可以通過改變濃度，調(diào)整其電阻大小，簡單方便。盒子的制作也簡單且成本低。

3.3 學(xué)生實驗探究并由四組同學(xué)派代表把數(shù)據(jù)錄入Excel表格（表1、表2）

3.4 數(shù)據(jù)分析

（1）插入公式計算電阻R，分別作R-L圖像和R-1/b圖像；

（2）插入過原點的傾斜直線進行擬合（如圖3、圖4所示）；

（3） 誤差分析。

【設(shè)計意圖】

利用Excel表格處理數(shù)據(jù)，使作圖更準(zhǔn)確、更高效，既體現(xiàn)了信息技術(shù)與物理學(xué)科教學(xué)的融合，又為課堂爭取了寶貴的時間。

3.5 得出結(jié)論

【學(xué)生歸納實驗結(jié)論】

導(dǎo)體的電阻R跟它的長度L成正比，跟它的橫截面積S成反比，還跟導(dǎo)體的材料有關(guān)。

【教師總結(jié)】

總結(jié)電阻定律，引入新的物理量——電阻率ρ，引導(dǎo)學(xué)生得出電阻定律的表達式，并分析各物理量的單位關(guān)系。

4 認識電阻率

1.電阻率ρ與電阻R的區(qū)別：

ρ反映材料的導(dǎo)電性能，與L、S無關(guān)；

R 反映導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，與L、S有關(guān)。

2.電阻率ρ隨溫度的變化規(guī)律：展示“司南版”選修3-1課本中第55頁的圖3-10和圖3-11，并討論。

5 生產(chǎn)應(yīng)用——液體電阻啟動柜

液體電阻啟動柜工作時，通過機械傳動裝置使電解質(zhì)溶液中兩平行極板的距離逐漸減小至零，從而使連入電機回路中的阻值平滑減小，實現(xiàn)繞線式大中型電動機的平滑起動，避免沖擊電流過大。故液體電阻啟動柜廣泛應(yīng)用于工業(yè)上大中型電機的啟動。

【設(shè)計意圖：前后聯(lián)系，學(xué)以致用】

液體電阻相對于金屬導(dǎo)體而言，較為復(fù)雜。很多老師對其望而卻步，不敢談及。但其實只要事先把實驗條件設(shè)置好，學(xué)生是可以理解和接受的。本文中的探究實驗設(shè)計是筆者經(jīng)歷兩個多月不斷摸索和改進的成果。多次教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生能很好地根據(jù)實驗器材，圍繞實驗?zāi)康恼归_探究，得出結(jié)論，并對液體電阻有更深入的認識。利用液體電阻進行實驗，不僅能豐富學(xué)生的認知，同時縮短實驗時間，而且可以通過改變?nèi)芤喝芏日{(diào)整電阻大小。相對于固體電阻而言，利用液體電阻進行實驗，更簡單方便，成本更低。

新課程要求教師既要是課程的實施者，又要努力成為課程的開發(fā)者和建設(shè)者。這就需要教師們在教學(xué)實踐中有足夠的勇氣和毅力，大膽地去嘗試調(diào)整教材、開發(fā)教材，以使教學(xué)活動更符合具體的學(xué)情和校本需求。嘗試的過程是艱辛的，但成果是喜人的！

參考文獻：

[1]教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]陳野. 新課程背景下對高中物理教材“二次開發(fā)”的思考與探索[J].物理教學(xué)探討，2009，27（3）：58.

[3]劉豹，張宏. 液體電阻率測定電路的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2010，33（11）：57—60.

[4]張懷年，姚東永.利用伏安特性曲線探究電解槽導(dǎo)電規(guī)律[J].中學(xué)物理，2009，27（3）：15—16.

[5]葛桂蓮. 怎樣理解歐姆定律適用于電解液[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2007，36（6）：18.

（欄目編輯 李富強）