唐昌琳

[摘 要]綜合分析和實(shí)驗(yàn)探究能力是學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，與“物理觀念、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等要素密不可分。在教學(xué)中要不斷訓(xùn)練提升學(xué)生的綜合分析和實(shí)驗(yàn)探究能力，這對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升和關(guān)鍵能力形成有很好的推動(dòng)作用。電路設(shè)計(jì)不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，提高學(xué)生的綜合分析和實(shí)驗(yàn)探究能力。

[關(guān)鍵詞]電阻；電路設(shè)計(jì)；綜合分析能力；實(shí)驗(yàn)探究能力

[中圖分類號(hào)] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 16746058（2018）02004102

高中生感到物理難學(xué)的原因之一，就是不能把許多零散的物理知識(shí)綜合起來，分析解決實(shí)際問題。用單一知識(shí)分析單一的問題，學(xué)生都能理解并正確地完成，而用多個(gè)知識(shí)去分析一個(gè)綜合問題時(shí)，大部分學(xué)生就會(huì)感到力不從心。在平時(shí)的教學(xué)過程中，教師應(yīng)不斷強(qiáng)化對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維訓(xùn)練，以鍛煉學(xué)生綜合分析、推理論證方面的能力。訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)注意由淺入深，由低階思維不斷向高階思維發(fā)展，逐步提升學(xué)生分析解決問題的能力。物理教學(xué)是思維活動(dòng)的教學(xué)，教學(xué)過程中應(yīng)重視方法，這樣經(jīng)過一定時(shí)間的積累，學(xué)生的科學(xué)思維能力就提高了，對(duì)物理學(xué)習(xí)的畏懼感就減少了。

在設(shè)計(jì)電阻測量電路之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了歐姆定律，知道了磁電式電流表、電壓表均是由小量程電流表改裝而成，也知道電阻的測量方法有歐姆表粗略測量、伏安法測量、半偏法測量、替代法測量、惠斯通電橋測量等。用以上某個(gè)知識(shí)或某個(gè)方法解決與之對(duì)應(yīng)的單一問題，學(xué)生是能夠勝任的。但當(dāng)把這些知識(shí)和方法融合在一起，解決稍微復(fù)雜的問題時(shí)，學(xué)生就有困難了。筆者以伏安法測電阻為例，談?wù)勁囵B(yǎng)學(xué)生綜合分析和實(shí)驗(yàn)探究能力的策略。

在設(shè)計(jì)電阻測量電路之前，先復(fù)習(xí)電路設(shè)計(jì)的原則，它們是：（1）安全性，保證儀器儀表的安全；（2）準(zhǔn)確性（滿偏性），指針偏轉(zhuǎn)在滿偏的三分之一以上；（3）可調(diào)性，在供電部分，通過可變電阻來實(shí)現(xiàn)路端電壓可調(diào)和多次測量。電阻測量電路的設(shè)計(jì)一般可按以下兩步進(jìn)行：測量部分電路設(shè)計(jì)，供電部分電路設(shè)計(jì)。本節(jié)課重點(diǎn)學(xué)習(xí)測量部分電路設(shè)計(jì)。

伏安法測電阻的實(shí)驗(yàn)原理R=U/I。測量電路連接方式有兩種，分別為內(nèi)接法和外接法。

電流表接在電壓表的測量范圍以內(nèi)，簡稱內(nèi)接法。由于電流表內(nèi)阻的影響，內(nèi)接法中電壓表測得的電壓大于R兩端的電壓，使得R的測量值偏大。既然兩種方法都存在測量誤差，只能從中選用一種誤差較小的連接方式進(jìn)行具體測量。當(dāng)電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)大于被測電阻R時(shí)，電壓表分得的電流遠(yuǎn)小于R的電流，用外接法比較準(zhǔn)確。當(dāng)電流表的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于被測電阻R時(shí)，電流表分得的電壓遠(yuǎn)小于R的電壓，用內(nèi)接法比較準(zhǔn)確。如果用RV、RA、Rx分別表示電壓表、電流表、被測電阻的阻值，把上面的思路用數(shù)學(xué)語言表達(dá)就是：RV/Rx>Rx/RA時(shí)應(yīng)用外接法測量；RV/Rx

如圖3所示，電壓表的一端先與電阻一端連接，接通電路后，另一端分別與圖中的a、b兩點(diǎn)試觸一下，如果電壓表的讀數(shù)變化大，則采用外接法測量比較準(zhǔn)確；如果電流表的讀數(shù)變化大，則采用內(nèi)接法測量比較準(zhǔn)確。

在復(fù)習(xí)鞏固以上基本知識(shí)后，就可以進(jìn)行相應(yīng)的能力訓(xùn)練了。

【例1】 用伏安法測量一個(gè)定值電阻的阻值，所需器材及規(guī)格如下。

（1）待測電阻R（約1000Ω）；

（2）直流毫安表mA：量程5mA，內(nèi)阻約50Ω；

（3）直流電壓表V，量程3V，內(nèi)阻約5kΩ。

為了較準(zhǔn)確測量該電阻的阻值，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測量部分電路圖，并寫出測定R的表達(dá)式。

分析：比較RV、RA、R的大約阻值有RV/R

點(diǎn)評(píng)：這是用單一的知識(shí)分析單一的問

題，是基本知識(shí)的直接運(yùn)用，屬于低階思維。

【例2】 用伏安法測定一個(gè)阻值約為10Ω，額定功率

為2W的定值電阻R的阻值?？晒┻x用的器材有：

直流電壓表V1，量程6V，內(nèi)阻約10kΩ；直流電壓表V2，量程30V，內(nèi)阻約30kΩ；直流電流表A1，量程0.6A，內(nèi)阻約0.5Ω；直流電流表A2，量程3A，內(nèi)阻約0.1Ω。

要求選出合適的器材，畫出測量電路圖，并寫出測定R的表達(dá)式。

分析：先確定待測電阻額定電流、電壓的近似值，這兩個(gè)值確定了，根據(jù)準(zhǔn)確性原則就可以選出需要的電表了。

額定電壓：U=PR=2×10=4.5（V）。

額定電流：I=U/R=0.45（A）。

電壓表選V1，電流表選A1。因RV1/R>R/RA1，所以應(yīng)用外接法測量。測量電路如圖5所示。電壓表、電流表讀數(shù)分別為U、I，則R=U/I。

點(diǎn)評(píng)：本題加進(jìn)了“額定功率”這一限制條件，學(xué)生必須掌握額定功率的含義，從中找到被測電阻的額定電壓、電流的大約值，再根據(jù)安全性、準(zhǔn)確性原則選出所需儀表，進(jìn)而根據(jù)伏安法測電阻的知識(shí)設(shè)計(jì)測量電路。從思維角度說，本題比例1又高了一階。

【例3】 現(xiàn)需測定電流表A的內(nèi)阻，所給儀器有：待測電流表A，量程10mA，內(nèi)阻rA約150Ω；電流表A1，量程0.6A，內(nèi)阻0.5Ω；電壓表V，量程3V，內(nèi)阻3kΩ。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測電流表A內(nèi)阻的測量部分電路，并寫出測定rA的表達(dá)式。

分析：電流表A能承受的最大電壓UA=IArA=1.5（V），達(dá)到電壓表滿偏的一半，可用電壓表直接測A兩端電壓。測量部分電路如圖6所示，電壓表、電流表的讀數(shù)分別為U、I，則rA=U/I。

點(diǎn)評(píng)：在例1、例2中，電流表、電壓表內(nèi)阻未知，實(shí)驗(yàn)器材帶來了系統(tǒng)誤差。在本題中，由于電流由被測電流表自身讀出，電壓表的內(nèi)阻對(duì)測量電流沒有影響，從實(shí)驗(yàn)器材上講，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確測量（不考慮電表本身帶來的誤差）。

【例4】 現(xiàn)需測定電流表A的內(nèi)阻，所給儀器有：待測電流表A，量程0.6A，內(nèi)阻rA約0.5Ω；電流表A1，量程3A，內(nèi)阻r1=0.01Ω；電壓表V，量程3V，內(nèi)阻3kΩ；定值電阻R0=4Ω，R1=40Ω。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測量電流表A內(nèi)阻的測量部分電路，并寫出測定rA的表達(dá)式。

分析：待測電流表A能承受的最大電壓UA=0.6×0.5V=0.3V，不到電壓表量程的三分之一，直接用電壓表測電流表A兩端電壓不準(zhǔn)確。將電阻R0與電流表A串聯(lián)，則串聯(lián)

電路能承受的最大電壓為Um=IA（rA+R0）=2.7（V），接近電壓表量程。測量部分電路如圖7

所示，電壓表、電流表的讀數(shù)分別為U、I，則rA=（U-IR0）/I。

點(diǎn)評(píng)：將電阻R0與電流表A串聯(lián)，增大串聯(lián)電路的電壓承受能力，讓電壓表測量盡可能準(zhǔn)確，使用的是電表改裝的知識(shí)。本題是用電表改裝、伏安法測電阻兩個(gè)知識(shí)去解決電壓表量程過大和測電流表內(nèi)阻的兩個(gè)問題，從問題的難度及綜合程度來看比前面幾個(gè)例題更復(fù)雜了。

【例5】 現(xiàn)需測定電流表A1的內(nèi)阻，所給儀器有：待測電流表A1，量程10mA，內(nèi)阻r1約40Ω；電流表A2，量程500μA，內(nèi)阻r2=750Ω；電壓表V，量程10V，內(nèi)阻r3=10kΩ；定值電阻R0=100Ω。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測電流表A1內(nèi)阻的測量部分電路，并寫出測定r1的表達(dá)式。

分析：電流表A1能承受的最大電壓約為0.4V，即便與R0串聯(lián)擴(kuò)大電壓承受能力，最多能承受約1.4V的電壓，用電壓表測量電壓達(dá)不到準(zhǔn)確性要求。而電流表A2能承受的最大電壓為0.375V，用A2測定A1兩端電壓可行。測量部分電路如圖8所示，電流表A1、A2的讀數(shù)分別為I1、I2，則r1=（I2r2）/I1。

點(diǎn)評(píng)：在常規(guī)思維中，測電壓一般是用電壓表的，用電流表測電壓打破了這種常規(guī)思維，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力、創(chuàng)新思維能力很有幫助。

【例6】 現(xiàn)需測定電流表A1的內(nèi)阻，所給儀器有：待測電流表A1，量程100mA，內(nèi)阻r1約40Ω；電流表A2，量程500μA，內(nèi)阻r2=750Ω；定值電阻R0=7kΩ，R1=70Ω。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測電流表A1內(nèi)阻的測量部分電路，并寫出測定r1的表達(dá)式。

分析：電流表A1、A2能承受的最大電壓分別為4V、0.375V，電流表A2串聯(lián)電阻R0后，能承受的最大電壓U2=I2（r2+R0）=3.9（V），用這個(gè)改裝后的電壓表測電壓準(zhǔn)確性就高了。測量部分電路

如圖9所示，電流表A1、A2的讀數(shù)分別為I1、I2，則r1=[I2（R0+r2）]/I1。

點(diǎn)評(píng)：例5中測量電阻的方法，通常又被叫作“安安法”。本題在例5“安安法”的基礎(chǔ)上，增加了電表改裝的元素，綜合性更強(qiáng)了，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力起到了積極的作用。

到此，一節(jié)課時(shí)間基本結(jié)束。可給學(xué)生留下了兩個(gè)懸疑：1.電流表內(nèi)阻測量有“安安法”，電壓表內(nèi)阻測量有“伏伏法”嗎？2.歐姆表的內(nèi)阻測量又有哪些辦法呢？請(qǐng)同學(xué)們課后研究。

反思：本節(jié)課，從伏安法測普通電阻的阻值過渡到測電流表內(nèi)阻；從簡單問題逐步過渡到復(fù)雜問題，學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了很好的訓(xùn)練。通過這些測電阻實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力得到了提升。對(duì)原有知識(shí)的擴(kuò)展，變式教學(xué)法的使用，能讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。當(dāng)他們遇到新事物、新理論時(shí)能主動(dòng)探索，解決各種各樣的問題，這也是當(dāng)今教學(xué)改革關(guān)注的要點(diǎn)，也是教學(xué)的主要目標(biāo)。

（責(zé)任編輯 易志毅）