羅翀　江小安

摘 要：基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)下，培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)思維能力是當(dāng)前新課改的一個重要內(nèi)容。近幾年高考中以電表的改裝作為考查手段，滲透等效思想的考查愈來愈明顯。本文從等效思維角度明確電表改裝的原理，對單量程和多量程的電表改裝進(jìn)行列表對比，顯化等效思維在電表改裝中的應(yīng)用，并結(jié)合高考實例進(jìn)行剖析，總結(jié)出電表改裝的等效變換思路。

關(guān)鍵詞：電表改裝；等效思維；等效電路

引言

等效思維是指從事物間的等同效果出發(fā)，在解決問題過程中，對研究的對象、過程，研究對象的結(jié)構(gòu)、功能等進(jìn)行變換處理的一種思想方法[ 1 ]。通過變換化繁為簡、化難為易，從而使問題得以解決?！半姳淼母难b”是高中物理的一個重要實驗，常把小量程的電表改裝成大量程的電表，其最基本的原理就是運用“串聯(lián)分壓”和“并聯(lián)分流”的特點。

1 理清原理 深化認(rèn)識

1.1 認(rèn)識磁電式電流計（又稱表頭，符號：G）

構(gòu)造：如圖1所示。

原理：由于通電線圈在磁場中受安培力作用，使得指針偏轉(zhuǎn)，安培力產(chǎn)生的磁力矩與通過線圈的電流成正比；當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧也會產(chǎn)生一個阻礙線圈轉(zhuǎn)動的阻力矩，當(dāng)磁力矩與阻力矩相等時，線圈不再轉(zhuǎn)動，指針固定在某一位置，此時指針偏角θ與電流強(qiáng)度I成正比，即θ=kI。由于大部分磁電式電表原理相同，故其表盤刻度是均勻的。

電流計的三個重要參數(shù)：①表頭內(nèi)阻Rg：即電流計內(nèi)部線圈的電阻；②滿偏電流Ig：即電流計指針指到滿偏位置時通過的電流值；③滿偏電壓Ug：即滿偏電流時對應(yīng)的電壓，即Ug=Ig·Rg。

1.2 電流計改裝成單量程、多量程電表對比

在圖1中，若在電流計線圈的一端串聯(lián)一個或多個分壓電阻則改裝成單量程或多量程的電壓表；若在電流計線圈的兩端并聯(lián)一個或多個分流電阻則改裝成單量程或多量程的電流表。電流計改裝成單量程、多量程電表對比見表（1）。

表（1）：電流計改裝成單量程、多量程電表對比表

1.3 改裝后的電表的擺角與示數(shù)問題

改裝后電表的量程發(fā)生了變化，流經(jīng)電流計的最大電流Ig及加在電流計兩端的最大電壓Ug都不變，量程只隨串聯(lián)分壓或并聯(lián)分流的電阻而改變。由對比表（1）可知擴(kuò)程后的電壓、電流與通過電流計的電流仍成正比關(guān)系，即改裝后的電壓表和電流表表盤刻度仍是均勻的。電表的示數(shù)與電流計的擺角、量程的關(guān)系對比見如下表（2）、表（3）。

表（2）：改裝后的兩電壓表串聯(lián)或并聯(lián)

的擺角與示數(shù)對比表

表（3）：改裝后的兩電流表串聯(lián)或并聯(lián)的擺角與示數(shù)對比表

2 探究高考 學(xué)以致用

近些年高考實驗以伏安特性曲線、電阻率、電動勢和內(nèi)阻的測量等為載體，以改裝電表為考查手段，使學(xué)生在分析問題、解決問題的過程中，學(xué)會建模、分析綜合、抽象概括、推理論證，從而培養(yǎng)科學(xué)思維能力。

【例題1】（2017年全國卷I，23題）某同學(xué)研究小燈泡的伏安特性，所使用的器材有：小燈泡L（額定電壓3.8 V，額定電流0.32A）；電壓表（量程3V，內(nèi)阻3kΩ）；電流表（量程0.5A，內(nèi)阻0.5Ω）；固定電阻R0（阻值1000Ω）；滑動變阻器R（阻值0～9.0Ω）；電源E（電動勢5V，內(nèi)阻不計）；開關(guān)S；導(dǎo)線若干。（1）實驗要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進(jìn)行測量，畫出實驗電路原理圖。（2）實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖2（a）所示……（3）用另一電源E0（電動勢4V，內(nèi)阻1.00Ω）和題給器材連接成圖2（b）所示的電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實際功率。閉合開關(guān)S，在R的變化范圍內(nèi)，小燈泡的最小功率為____________W，最大功率為___________W。（結(jié)果均保留2位小數(shù)）。

【解析】（1）由題意，可估算出在額定電壓下小燈泡的電阻約為11.9Ω，小燈泡為小電阻，電流表采用外接法；電源電動勢為5V，若直接加在小燈泡上則會超過額定電壓3.8V，滑動變阻器接成分壓式便可控制小燈泡兩端電壓；考慮到電壓表量程為3V，無法實現(xiàn)3～3.8V內(nèi)的測量，即給定電壓表量程偏小，若與固定電阻R0串聯(lián)，便改裝成了量程為4V的電壓表。電路如圖3所示。

U2=3.67V，I2=0.32A，此時小燈泡最大功率Pmax=U2I2=3.67×0.32≈1.17（W）。

【點評】本試題第一問考查學(xué)生利用串聯(lián)分壓特點把小量程的電壓表改裝成較大量程的電壓表實驗?zāi)芰?，要求學(xué)生明確改裝原理和運用等效思維方法進(jìn)行分析，體現(xiàn)了物理核心素養(yǎng)的考查；第三問中考查了圖象法處理實驗數(shù)據(jù)的能力，要求較高，若從等效電源的觀點去分析可以使問題更加簡化，若在給定坐標(biāo)內(nèi)取兩個特殊點便能快速畫出等效電源的I-U圖象，從而快速找出“工作點”，即工作電壓和工作電流。

3 拓展延伸 活化思維

幾種常見電表的另類改裝對比見表（4）。

在另類電表的改裝中，往往不能采用常規(guī)思維方法，但可以從等效觀點入手，明確定值電阻或電阻箱所代表的電壓、電流值，把其看作會“說話”的電表。另外，若電表內(nèi)阻已知時，其自身不僅是電流（壓）表，用其內(nèi)阻乘以流過電表的電流，則可以充當(dāng)電壓表使用，或用其電壓除以其內(nèi)阻，則可以充當(dāng)電流表使用；還可以用此表串聯(lián)或并聯(lián)電阻來擴(kuò)大電表的量程。

4 結(jié)束語

綜上所述，教師在教學(xué)時應(yīng)有目的、有意識地向?qū)W生滲透或顯化等效思想，構(gòu)筑出一條別致的解題思路，使學(xué)生能快速分析和解決問題，為終身學(xué)習(xí)、研究和發(fā)展奠定扎實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王高.高中物理思想方法論[M].南京江蘇教育出版社，2012.