《導(dǎo)體的電阻》課堂教學(xué)實(shí)踐與反思

田亮

摘 要：在信息化社會高度發(fā)達(dá)的今天，電子設(shè)備普遍應(yīng)用在各個領(lǐng)域，小到日用的手機(jī)電腦，大到航天領(lǐng)域的衛(wèi)星飛船，電子元件無時無刻不在起著至關(guān)重要的作用。而電阻作為最基本的電子元器件，更是無處不在，因此高中生學(xué)習(xí)“導(dǎo)體的電阻”也是很有意義和必要的。本節(jié)課的主要內(nèi)容是通過探究實(shí)驗(yàn)來研究導(dǎo)體的電阻與哪些因素有關(guān)，并總結(jié)成公式（電阻定律）加以利用。既然是探究課，那么實(shí)驗(yàn)是本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容，能否做好探究實(shí)驗(yàn)將直接影響學(xué)生對電阻定律能否真正理解。那么，如何設(shè)計(jì)本節(jié)課才能使學(xué)生真正對電阻定律有所認(rèn)識、有所啟發(fā)呢？對“導(dǎo)體的電阻”的課堂教學(xué)進(jìn)行了一些實(shí)踐與反思。

關(guān)鍵詞：電阻定律；實(shí)驗(yàn)探究；鉛筆；手機(jī)充電器；溫度

本節(jié)課所要研究的電阻器是形狀規(guī)則、質(zhì)量分布均勻的理想導(dǎo)體，而非市面上實(shí)際出售的碳膜電阻、水泥電阻等色環(huán)電阻。我們都知道，電阻器的電阻大小取決于導(dǎo)體自身的屬性，采用均勻?qū)w更有利于我們進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。所謂的自身屬性包括導(dǎo)體的材料、長度、橫截面積和溫度等。基于此，實(shí)際選材很重要，要直觀，要有一定的可測性。再者，電路的設(shè)計(jì)與操作也是很重要的，在實(shí)際的上課聽課中，我發(fā)現(xiàn)看似簡單的一節(jié)課想要上好卻很難，這里面的原因值得我們反思。本人針對教材上的內(nèi)容編排與講解進(jìn)行了一些思考，提出一些個人的觀點(diǎn)與實(shí)踐供大家參考。

對于本節(jié)課而言，有不少高中都會使用購置的廠家生產(chǎn)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和器材進(jìn)行授課，諸如“電阻定律演示儀”“鎳鉻合金電阻定律實(shí)驗(yàn)器”等等。名稱略有不同，但基本裝置相差無幾。如圖1所示，我們學(xué)校購置的電阻定律實(shí)驗(yàn)器。在一個木板上固定了5條金屬絲，其中第一條是銅絲，第二條是鐵絲，二者長度和粗細(xì)都相同；第三、第四和第五條是鎳鉻絲；第三、第四兩條粗細(xì)不同，長度同；第三、第五條是粗細(xì)同，長度不同。每條金屬絲的后面有截面積的標(biāo)示（字母“S”），整個實(shí)驗(yàn)裝置較長（1米左右），理論上來講這種設(shè)備是廠家為了本節(jié)課定做的，演示效果應(yīng)該不錯，但是在實(shí)際授課當(dāng)中我發(fā)現(xiàn)效果并不佳，個人覺得有以下幾個方面的因素。

一、其自身材質(zhì)與屬性不易觀察、不易分辨

首先，演示儀中的不同金屬絲外觀類似，可能考慮到短路問題，所以金屬絲都很細(xì)，用肉眼遠(yuǎn)觀難以分辨粗細(xì)的差別。而且，金屬絲又是事先固定在木板上的，不好拆卸，其自身長短、粗細(xì)、材料都很難辨別真?zhèn)?，只是在木板上會有它們的基本參?shù)的標(biāo)識，對于學(xué)生而言，認(rèn)同感不強(qiáng)，接受度不高。在聽老師介紹這些器材的時候往往有種被動接受的感覺。

二、電路設(shè)計(jì)實(shí)際操作不易控制、不易分析

較為常見的探究方式是采用了教材中的電路設(shè)計(jì)（如圖2）。將學(xué)生電源、電建、滑動變阻器與這幾根金屬絲串聯(lián)在一起（由于串聯(lián)，電流相同，電壓比就為電阻比），通過讀取電壓表的讀數(shù)比來確定其電阻絲的阻值比，通過表格中的比例關(guān)系來確定電阻與自身屬性有何正反比關(guān)系。但是在實(shí)際的上課聽課中，我們發(fā)現(xiàn)其結(jié)果并不令人滿意。有些結(jié)果甚至產(chǎn)生了極大的“誤差”，這對后續(xù)的說明帶來了難度，教師往往難以自圓其說，最后也只能用“忽略誤差”一語帶過。那么對于學(xué)生而言，就難以認(rèn)同實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對電阻定律的真實(shí)性也是心存懷疑。個人感覺，產(chǎn)生誤差大的原因有一部分來自電壓表的分次接入。這個實(shí)驗(yàn)中的這幾條金屬絲的電壓是分次接入測量的，由于金屬絲自身具有一定的電阻，而高中實(shí)驗(yàn)室中的電壓表也并非理想電表，就會使得每一次電壓表接入電路中不同位置時，電壓表會影響總電阻，導(dǎo)致電壓表自身會分走一定的電流，影響了金屬絲自身的電流，就使得電壓表的讀數(shù)與金屬絲實(shí)際電壓并不相符。其次，在實(shí)際操作中，由于金屬絲非常細(xì)，電壓表與金屬絲連接時，螺絲擰得過緊或者過松都會改變電壓表的讀數(shù)，使得實(shí)際操作難度加大，我們也發(fā)現(xiàn)有些課在演示實(shí)驗(yàn)時，電壓表的讀數(shù)時大時小。綜上，材料自身的情況再加上實(shí)際操作不易掌控使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以與結(jié)論相匹配，影響了最終結(jié)論的真實(shí)性，降低了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的權(quán)威性。

本人在上這節(jié)課的時候，綜合考慮了以上的種種問題，所以并沒有采用學(xué)校采購的電阻定律實(shí)驗(yàn)器，而是將眼光放在了日常生活中。同樣，為了避免電壓表的分流，考慮到電阻阻值較大，采用了電流表測量，同時也更改了實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)圖，得到了較好的效果，具體內(nèi)容如下。

1.用鉛筆芯代替金屬絲增強(qiáng)認(rèn)同感

采用鉛筆芯作為研究對象主要是考慮了以下幾個原因。首先，鉛筆芯更加貼近同學(xué)們的日常生活，對于高中學(xué)生來說，鉛筆極為普遍、觸手可得，可以增強(qiáng)同學(xué)們的認(rèn)同感，減少陌生感。其次，鉛筆芯的主要成分是石墨和粘土，而石墨具有導(dǎo)電性，配合粘土，其電阻又不會很小，可以避免短路。再者，根據(jù)粘土與石墨的調(diào)配，我們可以得到不同型號的鉛筆，豐富了素材的可選擇性。學(xué)生們可以很直觀地感受到材料，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)論的推導(dǎo)奠定了一個好的基礎(chǔ)。如圖3所示，準(zhǔn)備了導(dǎo)電性稍好一些的2B鉛筆和導(dǎo)電性稍差的HB鉛筆若干（事先將鉛芯兩端削好露出來）。

2.用手機(jī)充電器代替學(xué)生電源

選用手機(jī)充電器作為電壓的輸入設(shè)備主要有兩方面的考慮，首先，手機(jī)充電器來自日常生活，小巧靈活，便于攜帶，且每個人都使用過，可以增加學(xué)生的認(rèn)同感。其次，手機(jī)充電器輸出電壓無需調(diào)節(jié)，其穩(wěn)定的5V電壓利于實(shí)驗(yàn)的演示，且安全易用。如圖4所示，將USB線的輸出端稍作修改即可用于實(shí)際操作。

3.簡化電路使實(shí)驗(yàn)操作簡潔明了

由于鉛筆芯參雜了粘土，所以導(dǎo)致其電阻率較大，所以在實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)上，使用電阻較小的電流表就能很好地解決誤差過大的問題（電流表分壓可以忽略），滑動變阻器也不需要加入進(jìn)來。電壓表此時僅僅是作為一個驗(yàn)證工具，從實(shí)驗(yàn)中可以看得出來，每次的電壓都是5V。經(jīng)過這樣的設(shè)計(jì)之后，實(shí)驗(yàn)變得更加簡潔明了，如圖5所示，每一次實(shí)驗(yàn)只需要更換鉛筆芯就可以了。

首先，我們可以研究導(dǎo)體的電阻與其自身的長度、橫截面積的關(guān)系。如圖6所示，由于我們采用了恒定直流5V電壓作為輸入，我們只要通過將三組實(shí)驗(yàn)中的電流表的讀數(shù)進(jìn)行比值便可得知，導(dǎo)體的電阻與其長度成正比，與其橫截面積成反比這個規(guī)律。在實(shí)際的課堂實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)，我們得到了一組數(shù)據(jù)（圖7），從中我們不難發(fā)現(xiàn)，在電壓相同的情況下，2B鉛筆芯的電阻與其自身長度成正比，與其橫截面積成反比。由于我們事先采用了手機(jī)5V充電器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很好地掌控了電壓保持不變這個關(guān)鍵量，只要觀察電流就能很好地看出規(guī)律與得出結(jié)論。

其次，為了研究電阻與材料有關(guān)，我們可以選用HB鉛筆芯來進(jìn)行這個實(shí)驗(yàn)。如圖8所示，通過比較得知，不同材料，其電阻也是不同的。但是這里需要注意的是，HB鉛筆芯的直徑與2B鉛筆芯的直徑稍微有點(diǎn)不同，使用螺旋測微器進(jìn)行測量后會發(fā)現(xiàn)前者的直徑會略小一點(diǎn)點(diǎn)。那么這里也只是定性地說明一下材料會影響導(dǎo)體的電阻這個事情。

4.溫度實(shí)驗(yàn)讓本節(jié)課有所外延

教材上關(guān)于溫度會影響電阻的表述并沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，只是進(jìn)行了文字說明，“金屬材料的導(dǎo)體電阻率會隨著溫度的增加而增大，半導(dǎo)體元件的電阻率會隨著溫度的增加而減小”。（注：課本上關(guān)于半導(dǎo)體電阻的規(guī)律其實(shí)僅適用于負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體元件，正溫度系數(shù)的半導(dǎo)體元件的電阻率也會隨著溫度的增加而增大。）

針對這個知識點(diǎn)我們在平時的習(xí)題中也會見到一些典型的題目，例如：當(dāng)我們使用萬用表測一個標(biāo)稱為“220V 100W”燈泡的電阻時，測量值往往只有50Ω左右。但是采用公式進(jìn)行計(jì)算就會發(fā)現(xiàn)理論上它的電阻是484Ω，測量值約為理論值的1/10，究其原因，其實(shí)就是溫度影響了電阻率，484Ω是正常發(fā)光時的電阻值，而使用萬用表測量燈泡時，燈泡是不可能發(fā)光的（常用萬用表通常使用9V電池），所以測量值所測的是常溫下的電阻，是發(fā)熱時電阻的1/10其實(shí)是符合實(shí)際情況的。由于我們采用了鉛筆芯作為實(shí)驗(yàn)材料，其便捷性正好可以將其作為研究“溫度對電阻影響的實(shí)驗(yàn)”的對象。如圖9所示，我們將2B鉛筆芯剝離出來，放于絕緣支架上，電路連接完全，先在常溫下測量一次電流，然后待其穩(wěn)定后，將酒精燈點(diǎn)燃放置在鉛筆芯的下方，觀察電流表的變化，我們會看到，隨著鉛筆芯溫度的增加，電流表的示數(shù)會逐漸變大，而后我們將酒精燈熄滅，讓鉛筆芯冷卻下來，我們也會發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)又會逐漸變小。這個實(shí)驗(yàn)說明了其電阻會受溫度的影響，溫度越高電阻越小，溫度越低電阻越大（類似于負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體元件）。但是這里需要注意的是，不要長時間在同一地方加熱鉛筆芯，首先我們會聞到一股比較難聞的氣味，再者鉛筆芯長時間加熱后會有添加劑（粘合劑）融化現(xiàn)象，過度加熱后我們發(fā)現(xiàn)會有一滴一滴的類似油一樣的東西滴下來，這個時候氣味將越發(fā)難聞，出于健康考慮，看到現(xiàn)象后就應(yīng)該停止加熱。那么對于不同的導(dǎo)體來說，可以告知學(xué)生，不同類型導(dǎo)體的電阻受溫度影響是不同的，有的會隨著溫度的升高而增大，而有的會隨著溫度的升高而減小。

通過查閱資料我們得知鉛筆的筆芯是用石墨和粘土搭配高分子粘合劑按一定比例混合制成的。如“H”即英文“Hard”（硬）的詞頭，代表粘土，用以表示鉛筆芯的硬度?！癏”前面的數(shù)字越大（如6H），鉛筆芯就越硬，也即筆芯中與石墨混合的粘土比例越大，導(dǎo)電性能越差。“B”是英文“Black”（黑）的詞頭，代表石墨。以“6B”為最軟，石墨的比例最高，導(dǎo)電性能也最好。

本節(jié)課筆者通過改良實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之后，個人覺得最大的變化是學(xué)生能真正參與到這個實(shí)驗(yàn)中去，認(rèn)同感增強(qiáng)了，而且能從實(shí)驗(yàn)中真正發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象并找出規(guī)律，從而提高知識的獲取效率。通過外延的加熱實(shí)驗(yàn)，更是讓學(xué)生親身體會到了電阻隨溫度變化的這一事實(shí)，既深刻又有樂趣，既豐富了知識又增長了見識！那么在處理類似的問題的時候，相信同學(xué)們也能將理論聯(lián)系到實(shí)際中去。

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編輯 趙飛飛