“探究通過(guò)導(dǎo)體的電流與電壓、電阻的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(江蘇省徐州市西苑中學(xué),江蘇 徐州 221000)

1 問(wèn)題的提出

“探究通過(guò)導(dǎo)體的電流與電壓、電阻的關(guān)系”是課標(biāo)中規(guī)定的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，也是初中電學(xué)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)之一，筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，對(duì)蘇科版九上物理教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了剖析，存在問(wèn)題如下：

(1) 在“探究通過(guò)導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓關(guān)系”時(shí),運(yùn)用控制變量法，保持導(dǎo)體的電阻不變,改變導(dǎo)體兩端的電壓。教材以“信息快遞”的方式,給出了改變導(dǎo)體兩端電壓的具體方法：調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片的位置。

通過(guò)前一節(jié)的學(xué)習(xí),學(xué)生對(duì)滑動(dòng)變阻器的結(jié)構(gòu)、原理以及使用方法都有了一定的認(rèn)識(shí),但還不夠系統(tǒng)和全面。在前一節(jié)中,無(wú)論在滑動(dòng)變阻器的引入、原理的介紹，還是使用方法的教學(xué)上,都凸顯一個(gè)核心內(nèi)容:滑動(dòng)變阻器可以改變接入電路中電阻絲的長(zhǎng)度,從而改變接入電路的電阻,最終改變電路中的電流大小。至于滑動(dòng)變阻器在電路中的其他作用,并未涉及。因此,對(duì)于本節(jié)“信息快遞”所介紹的“要改變電阻R兩端的電壓，只需調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片P的位置”,學(xué)生難以理解，在理解不了的情況下,便要直接上升到應(yīng)用層面去探究電流與電壓之間的關(guān)系,顯然強(qiáng)人所難。若要解開學(xué)生心中的疑惑,需要應(yīng)用歐姆定律,即需應(yīng)用歐姆定律的內(nèi)容來(lái)幫助探究歐姆定律,存在邏輯上的問(wèn)題。

(2) 在“探究通過(guò)導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體電阻的關(guān)系”時(shí),根據(jù)教材所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路,我們需要多次改變接入電路中導(dǎo)體的電阻,即多次更換接入電路中的導(dǎo)體。其一，要拆裝電路，重復(fù)以下步驟:斷開開關(guān)，將滑動(dòng)變阻器的滑片P移至阻值最大處。這無(wú)疑增加了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度。其二，更換了不同阻值的導(dǎo)體后,導(dǎo)體兩端的電壓將隨之改變。為了控制導(dǎo)體兩端的電壓不變,得再次調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器。很明顯,此時(shí)滑動(dòng)變阻器的主要作用是控制導(dǎo)體兩端的電壓不變。然而,在“探究通過(guò)導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓關(guān)系”時(shí),滑動(dòng)變阻器的主要作用是改變導(dǎo)體兩端的電壓。在實(shí)驗(yàn)中,同一滑動(dòng)變阻器的作用截然不同，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。

2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜上所述,滑動(dòng)變阻器的引入是教材中探究實(shí)驗(yàn)的癥結(jié)所在。那么,不使用滑動(dòng)變阻器就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)歐姆定律的探究了嗎?筆者經(jīng)過(guò)思索并充分考慮學(xué)生已學(xué)知識(shí),對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歐姆定律的探究,而且更加簡(jiǎn)潔明了,學(xué)生更容易接受。

針對(duì)問(wèn)題(1)，所要解決的問(wèn)題是:在不使用滑動(dòng)變阻器的情況下,能多次改變導(dǎo)體兩端的電壓。最直接的實(shí)現(xiàn)方式就是改變電源電壓。對(duì)此,學(xué)生很容易聯(lián)想到在“電壓和電壓表的使用”一節(jié)中,學(xué)到的有關(guān)電池組電壓的知識(shí),并加以運(yùn)用。為了避免重復(fù)接線的繁瑣,同時(shí)考慮到電池內(nèi)阻對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響以及大量廢舊電池可能會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染等問(wèn)題，筆者最終選擇使用學(xué)生電源，可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕,改變電源電壓,獲得多組電流與電壓的數(shù)據(jù),順利完成實(shí)驗(yàn)探究(如圖1)?？紤]到教材實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)變阻器的另一作用:保護(hù)電路，筆者建議可以在圖1的電路中,串聯(lián)接入一個(gè)阻值合適的定值電阻。

圖1

針對(duì)問(wèn)題(2),所要解決的問(wèn)題則是:在不使用滑動(dòng)變阻器的情況下,保持導(dǎo)體兩端的電壓不改變。若不更換導(dǎo)體,則僅有一組數(shù)據(jù),顯然不符合科學(xué)探究的基本要求。但更換了導(dǎo)體,考慮到電源內(nèi)阻對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,路端電壓與電源電動(dòng)勢(shì)不等,電壓就要發(fā)生改變。為解決這個(gè)矛盾,筆者想到可以利用學(xué)生已知的并聯(lián)電路電壓的特點(diǎn),將數(shù)個(gè)阻值不同的導(dǎo)體并聯(lián),再接入電路中(如圖2)。這樣,既保證了不同電阻兩端的電壓相同,亦避免了反復(fù)拆裝電路的繁瑣,同時(shí)在一次實(shí)驗(yàn)中可測(cè)量多組數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)效率大幅提高。另外,考慮到電阻并聯(lián),總阻值減小。為避免干路電流過(guò)大,建議在干路中串聯(lián)一個(gè)阻值合適的定值電阻,起保護(hù)電路的作用。

圖2