二次開發(fā)教材 探究電阻定律

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(jì)并探究電解質(zhì)溶液（硫酸鈉溶液）的電阻與其長(zhǎng)度、橫截面積的關(guān)系，幫助學(xué)生更全面地認(rèn)識(shí)電阻定律。

關(guān)鍵詞：液體電阻；電阻定律；長(zhǎng)度；橫截面積

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)和學(xué)生的需求，精選課程資源，充實(shí)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(fèi)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(huì)缺乏趣味性。而從教科書演變成實(shí)際教學(xué)活動(dòng)的過程，又需要師生積極互動(dòng)、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(wú)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(jìn)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(chǔ)備，對(duì)該部分教材進(jìn)行了二次開發(fā)。

（1）補(bǔ)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(shí)驗(yàn)作為引入，補(bǔ)充介紹液體電阻啟動(dòng)柜等知識(shí)，既增強(qiáng)了趣味性，又拓寬了學(xué)生的知識(shí)面。

（2）調(diào)整教學(xué)順序：將“身邊的電阻”調(diào)到探究實(shí)驗(yàn)之前，作為引入實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jì)巧妙，能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹５粔蛑苯?，且電路的連接較為繁雜。教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在連接電路時(shí)要花大量的時(shí)間，從而導(dǎo)致后面的分析討論非常緊張，重點(diǎn)不能突出。考慮到在初中階段，學(xué)生已嘗試過利用金屬絲定性探究電阻大小與其長(zhǎng)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(duì)電阻定律有更寬廣、更深入的認(rèn)識(shí)，筆者自制簡(jiǎn)單的教具，將定量探究的對(duì)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(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jì)如下。

1 引入：“謙卑而又萬(wàn)能的電阻”（演示實(shí)驗(yàn)）

【實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備】

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

1.1 光照對(duì)光敏電阻的影響

【學(xué)生觀察】

光照越強(qiáng)，小燈泡越亮。

【現(xiàn)象分析】

光敏電阻的阻值隨光照增強(qiáng)而減小。

1.2 溫度對(duì)熱敏電阻的影響（對(duì)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(dòng)開關(guān)等電路的自動(dòng)化控制；熱敏電阻可用于火警報(bào)警電路的自動(dòng)化控制。

1.3 展示不同種類電阻器的圖片，認(rèn)識(shí)“身邊的電阻”

【設(shè)計(jì)意圖】

讓學(xué)生初步了解電阻大小的影響因素，并體驗(yàn)電阻器在自動(dòng)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(dòng)柜及水阻箱

【介紹】

這是工業(yè)上大中型電機(jī)啟動(dòng)時(shí)用的液體電阻啟動(dòng)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(jì)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(huì)物理在生產(chǎn)中的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的欲望，同時(shí)又為后面的探究實(shí)驗(yàn)做鋪墊。

2.2 演示實(shí)驗(yàn)：溶質(zhì)及濃度對(duì)液體電阻的影響

【實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備】

電解質(zhì)溶液導(dǎo)電演示器（化學(xué)實(shí)驗(yàn)室借用）、高中學(xué)生電源（選擇“交流”）各一臺(tái)，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(wú)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?？梢?，液體電阻受溶質(zhì)影響。

（2）濃度對(duì)液體電阻有何影響？

在硫酸鈉溶液中適量增加無(wú)水硫酸鈉粉末，小燈泡變亮。可見，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(zhǎng)度有關(guān)。

②將兩極板平行上下移動(dòng)。

（4）極板平行上下移動(dòng)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(zhǎng)度和橫截面積并總結(jié)：

長(zhǎng)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(dòng)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(jì)意圖】

通過演示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)探究的任務(wù)，同時(shí)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(huì)電阻無(wú)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(zhǎng)度；

（3）橫截面積。

【提出問題】

電阻大小與長(zhǎng)度、橫截面積是怎樣的關(guān)系？

【學(xué)生猜想】

電阻隨長(zhǎng)度的增大而增大，隨橫截面積的增大而減小。

【進(jìn)一步提問】

電阻大小與長(zhǎng)度、橫截面積具有怎樣的定量關(guān)系？

【學(xué)生猜想】

電阻與長(zhǎng)度成正比，與橫截面積成反比。

【教師說明】

隨著一個(gè)量的增大而增大不一定是成正比，隨一個(gè)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(shí)驗(yàn)來研究。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

【提出問題】

如何改變長(zhǎng)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(jì)實(shí)驗(yàn)？

【引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)】

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(zhǎng)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(cè)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(fù)離子由于電解而使相對(duì)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)】

（1）注意保持兩極板（銅片）平行且相對(duì)；

（2）讀數(shù)時(shí)，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(jìn)行下一步操作，以減小溫度對(duì)電阻的影響；

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)注意溶液的回收再利用。

【設(shè)計(jì)意圖】

這是本節(jié)課的創(chuàng)新所在。

本實(shí)驗(yàn)裝置，連線及測(cè)量都很簡(jiǎn)單，學(xué)生看到裝置都能在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，對(duì)于固體電阻，學(xué)生比較熟悉，在初中已定性探究過了。而對(duì)于液體電阻，學(xué)生相對(duì)陌生些。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)液體電阻的認(rèn)識(shí)。選擇硫酸鈉溶液的好處是其電解后不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，安全。液體電阻的另一優(yōu)點(diǎn)是可以通過改變濃度，調(diào)整其電阻大小，簡(jiǎn)單方便。盒子的制作也簡(jiǎn)單且成本低。

3.3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(jì)算電阻R，分別作R-L圖像和R-1/b圖像；

（2）插入過原點(diǎn)的傾斜直線進(jìn)行擬合（如圖3、圖4所示）；

（3） 誤差分析。

【設(shè)計(jì)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(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。

3.5 得出結(jié)論

【學(xué)生歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論】

導(dǎo)體的電阻R跟它的長(zhǎng)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(dá)式，并分析各物理量的單位關(guān)系。

4 認(rèn)識(shí)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(wú)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(yè)的圖3-10和圖3-11，并討論。

5 生產(chǎn)應(yīng)用——液體電阻啟動(dòng)柜

液體電阻啟動(dòng)柜工作時(shí)，通過機(jī)械傳動(dòng)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(jī)回路中的阻值平滑減小，實(shí)現(xiàn)繞線式大中型電動(dòng)機(jī)的平滑起動(dòng)，避免沖擊電流過大。故液體電阻啟動(dòng)柜廣泛應(yīng)用于工業(yè)上大中型電機(jī)的啟動(dòng)。

【設(shè)計(jì)意圖：前后聯(lián)系，學(xué)以致用】

液體電阻相對(duì)于金屬導(dǎo)體而言，較為復(fù)雜。很多老師對(duì)其望而卻步，不敢談及。但其實(shí)只要事先把實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是筆者經(jīng)歷兩個(gè)多月不斷摸索和改進(jìn)的成果。多次教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生能很好地根據(jù)實(shí)驗(yàn)器材，圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_探究，得出結(jié)論，并對(duì)液體電阻有更深入的認(rèn)識(shí)。利用液體電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅能豐富學(xué)生的認(rèn)知，同時(shí)縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且可以通過改變?nèi)芤喝芏日{(diào)整電阻大小。相對(duì)于固體電阻而言，利用液體電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，更簡(jiǎn)單方便，成本更低。

新課程要求教師既要是課程的實(shí)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?cè)诮虒W(xué)實(shí)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(dòng)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！

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（欄目編輯 李富強(qiáng)）