從一個(gè)簡單的電學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)的探究性學(xué)

【摘 要】該文結(jié)合初中物理新課程教學(xué)實(shí)踐，介紹了通過一個(gè)簡單的電學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)開展進(jìn)一步探究性學(xué)習(xí)的整個(gè)過程，并就此提出了自己的反思。

【關(guān)鍵詞】初中物理；探究性學(xué)習(xí)；電學(xué)實(shí)驗(yàn)；電源內(nèi)阻

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀”三維發(fā)展的課程目標(biāo)，其中之一就是讓學(xué)生“保持探索科學(xué)的興趣和熱情，在認(rèn)識自然的過程中獲得成就感，能獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑、尊重事實(shí)、勇于創(chuàng)新?！备鶕?jù)皮亞杰的建構(gòu)主義理論，兒童的認(rèn)知結(jié)構(gòu)是通過同化、順應(yīng)和平衡的過程逐漸成熟起來的。當(dāng)兒童接觸的新信息與現(xiàn)存認(rèn)知結(jié)構(gòu)不吻合時(shí)，就要改變原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，而個(gè)體也就在平衡—失衡—新的平衡中，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)知的發(fā)展。據(jù)此，教師在教學(xué)過程中，要圍繞學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，創(chuàng)設(shè)激起學(xué)生新舊知識沖突的有效教學(xué)情景，引導(dǎo)學(xué)生通過自主、合作、探究學(xué)習(xí)，建構(gòu)新知、提高技能、發(fā)展能力、內(nèi)化情感。下面以“電流表使用”這一簡單的電學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，談?wù)勔龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)的體會，以與同行交流共享。

一、問題的提出

在學(xué)習(xí)“電流表使用”時(shí)，教師常會向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：“電流表就相當(dāng)于一根導(dǎo)線，測量電流時(shí)只能串聯(lián)在電路中，不能并聯(lián)在用電器兩端，否則就會引起短路?！辈ㄟ^演示實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生印象：把電流表的一個(gè)接線柱與小燈泡的一端相連，而另一個(gè)接線柱通過導(dǎo)線試觸接到小燈泡另一端，在試觸一瞬間，電流表滿偏，電路中原來亮著的小燈泡熄滅，說明小燈泡被電流表短路。

同樣，在學(xué)習(xí)“歐姆定律”一節(jié)時(shí)，教師會聯(lián)系到電流表和電壓表的使用，并結(jié)合蘇科版物理九上課本第92頁習(xí)題第3題來說明：電流表的電阻大概是零點(diǎn)幾歐。而導(dǎo)線電阻約零點(diǎn)零幾歐，所以電流表與導(dǎo)線相比還是略有區(qū)別的，當(dāng)導(dǎo)線并聯(lián)到電流表兩端時(shí)，電流表也會被短路。

對于初中學(xué)生來說，只能講到此程度，可學(xué)生總是似懂非懂。所以在新一輪的教學(xué)中，筆者嘗試通過數(shù)據(jù)來說明。如圖1電路中，電流表與燈泡并聯(lián)在1.5V的電源上。電路接通瞬間，毫無疑問，能看到燈泡不亮，電流表滿偏的現(xiàn)象。這時(shí)筆者提出探究問題：是電流表分去了絕大部分電流而使小燈泡不亮嗎？學(xué)生通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不管電流表是否并聯(lián)，理論上通過小燈泡的電流應(yīng)該是不變的，就是說小燈泡的亮度也應(yīng)該是不變的，那么為什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象跟理論計(jì)算不符呢？是不是我們忽略了某些因素呢？這就引入了進(jìn)一步的探究性學(xué)習(xí)。

二、分析論證、作出假設(shè)和探究實(shí)驗(yàn)

筆者引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象入手，先進(jìn)行理論分析。

小燈泡不亮只有2種可能：一是沒有電流通過，即電路中存在斷路；二是有電流通過，但因小燈泡兩端的電壓過小，使通過小燈泡的電流太小，導(dǎo)致小燈泡的實(shí)際功率非常小，從而無法發(fā)光。本實(shí)驗(yàn)中，因電流表有示數(shù)，故可排除第一種可能。于是集中分析第二種情況，小燈泡跟電流表都是并聯(lián)在電源兩端的，為什么小燈泡兩端的電壓會減小呢？

【分析1】當(dāng)電流表并聯(lián)入電路后，電路中的總電阻減小，電流增大，而小燈泡兩端的電壓卻減少了，這似乎與圖2相似。當(dāng)滑片向右滑動，ab兩點(diǎn)間的電阻變小，電路中的電流變大，但因有電阻R0的存在，故ab連點(diǎn)間的電壓變小。該R0是什么因素引起的呢？按初中生的知識水平，目光很快就投向除電源，燈泡和電流表之外的導(dǎo)線。

【假設(shè)1】小燈泡在并聯(lián)電流表后不發(fā)光是因?yàn)閷?dǎo)線有電阻而分得了電壓。

【探究1】如圖3所示，設(shè)電路中導(dǎo)線電阻為r，因電阻r與小燈泡是串聯(lián)的，且電阻r與小燈泡相比非常小，所以根據(jù)串聯(lián)分壓原理小燈泡分得了絕大部分的電壓，所以能發(fā)光。但當(dāng)電流表并聯(lián)到小燈泡兩端后（如圖4），因電流表的電阻也較小，所以并聯(lián)后ab兩點(diǎn)間的電阻值比電流表更小。此時(shí)的導(dǎo)線電阻r就有可能分得電壓。

為驗(yàn)證這一假設(shè)，筆者讓物理興趣小組學(xué)生分別用銅、鐵不同材質(zhì)、不同粗細(xì)的導(dǎo)線替換原有的實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)線，進(jìn)行課外探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還是一樣，小燈泡都不發(fā)光。

表1：用不同材質(zhì)不同粗細(xì)導(dǎo)線的探究實(shí)驗(yàn)

這說明，導(dǎo)線電阻分壓的效果并不如預(yù)期的那么大。既然分掉電壓的并不是導(dǎo)線，那么會是什么呢？

【分析2】電路組成很簡單：電源、開關(guān)、小燈泡、電流表和導(dǎo)線。既然不是導(dǎo)線的分壓問題，那就只可能是電源了。但憑初中生現(xiàn)有的知識，是不可能聯(lián)想到電源內(nèi)部有電阻的。這時(shí)教師的啟發(fā)和引導(dǎo)就顯得十分重要。筆者啟發(fā)學(xué)生：福爾摩斯有句名言：“除去不可能的剩下的即使再不可能，那也是真相。”在排除了其他組成元件會對小燈泡的發(fā)光產(chǎn)生影響后，剩下的可能影響的組成元件就是電源了。

【假設(shè)2】小燈泡在并聯(lián)電流表后不發(fā)光是由于電池的內(nèi)部存在電阻。

【探究2】因本校實(shí)驗(yàn)室的儀器無法直接測到電池的內(nèi)阻，所以筆者給學(xué)生介紹了高中測量電源內(nèi)部電阻的方法，實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)原理：ε=U+Ir（其中ε為電源電壓，U為外電路電壓，r為電源內(nèi)部電阻）。實(shí)驗(yàn)共采集了11組數(shù)據(jù)（見表2），發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑動變阻器接入阻值較大時(shí)，隨著滑片的移動，電壓表示數(shù)幾乎無變化，當(dāng)滑動變阻器接入阻值較小時(shí)，隨著滑片的移動，電壓表示數(shù)變化較大。筆者指導(dǎo)學(xué)生通過圖像法算出了電池的內(nèi)阻約為2Ω。

表2：探究2采集的11組數(shù)據(jù)

三、得出結(jié)論

小燈泡在并聯(lián)了電流表后會熄滅，是因電池內(nèi)阻分壓所致。并聯(lián)電流表后，外電路的電阻大大減少，使得電池內(nèi)阻分掉了很多電壓，導(dǎo)致小燈泡兩端的電壓銳減，小燈泡的實(shí)際功率大減，致使燈泡亮度不可見。因此，要通過計(jì)算得出具體數(shù)據(jù)來解釋出燈泡由于被電流表分去了過多的電流而無法發(fā)光，只需要在圖5電路中串聯(lián)一個(gè)與滑動變阻器同樣阻值的燈泡即可。

四、匯報(bào)交流

探究說明，對于線路和電源本身也要用歐姆定律來分析，這正說明了歐姆定律的普適性。很多問題要用全電路歐姆定律來計(jì)算，這要到高中才會學(xué)習(xí)。

筆者讓物理興趣小組派代表向全班同學(xué)匯報(bào)交流他們的探究成果：外電路的電阻越大，電源的內(nèi)阻影響就越小。反之，外電路電阻小，流過電源的電流強(qiáng)度大，電源內(nèi)阻影響就大，路端電壓就會降低。比如，家里冰箱、空調(diào)啟動時(shí)電流很大，線路和變壓器的分壓就會增大，電燈得到的分壓降低，瞬間就會變暗。它們正常工作時(shí)恢復(fù)額定電流，電流小了，電燈也恢復(fù)正常。電源的內(nèi)阻問題肯定會對初中教材中“歐姆定律”的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，如何才能盡可能的減小這一影響呢？①盡可能選取電阻值大一些的電阻。②如果手邊電阻都較小，那么在用滑動變阻器調(diào)節(jié)電路中的電流時(shí)，不要使滑動變阻器接入電路的阻值過小。

五、反思

以上是由一個(gè)簡單的電學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)的探究性學(xué)習(xí)的過程。在整個(gè)探究過程中，筆者受益也頗為豐富，其中最重要的一點(diǎn)是，我們在引導(dǎo)開展探究性學(xué)習(xí)時(shí)不要帶著條條框框，將自己和學(xué)生局限于某一知識范圍之內(nèi)，而是要拓寬思路，從各個(gè)方面去考慮問題的可能性。這有利于學(xué)生思維能力的發(fā)展，再遇到復(fù)雜問題時(shí)，就能跳出“框框”提出全新的猜想。同時(shí)敢于發(fā)現(xiàn)和提出問題，周密地分析并帶著濃厚的興趣去探究解決問題的方法。而從教師的角度來看，不是簡單的告訴學(xué)生一個(gè)答案，而是作為組織者、引導(dǎo)者和參與者的身份，在學(xué)生迷惑和陷入僵局時(shí)引導(dǎo)他們，并且全力給學(xué)生提供解決問題的條件和環(huán)境，這樣才能真正體現(xiàn)新課程改革以學(xué)生為主體的理念，達(dá)到師生合作互動，共同成長的改革目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[2]宣桂鑫.高中物理新課標(biāo)教材·選修2-1（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（作者單位：江蘇省蘇州市三元中學(xué)校）