習題課“歐姆定律在串聯(lián)電路中的應用”創(chuàng)新教學設計

向優(yōu)生 李鴻 李建 牟銀勇 方子怡 馮慶

摘 ? ?要：為了把科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任等物理學科核心素養(yǎng)落實到初中物理習題教學之中，文章用遞進式策略設計了“歐姆定律在串聯(lián)電路中的應用”一節(jié)課的教案。力圖讓學生具有將生活與物理聯(lián)系的意識，能在生活觀察中提煉物理問題，并具備解決問題的能力。

關鍵詞：習題課;習題創(chuàng)新設計;教學實驗創(chuàng)新;教學創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）5-0075-4

1 ? ?教材分析

“歐姆定律在串聯(lián)電路中的應用”是人民教育出版社初中《物理》九年級下冊第十七章第四節(jié)的內(nèi)容。學習該內(nèi)容前，學生前面已經(jīng)學習了串聯(lián)電路、歐姆定律、串聯(lián)電路電流和電壓的特點等知識，為這一節(jié)學習做了很好的基礎鋪墊。該內(nèi)容的學習也是后面進一步學習電功率和串聯(lián)電路中電功率問題的基礎。

2 ? ?教學目標

2.1 ? ?知識與技能

（1）能運用歐姆定律解決簡單的串聯(lián)電路問題。

（2）通過計算，學會解答電學計算題的一般方法，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力。

2.2 ? ?過程與方法

（1）在具體的物理情境中，提高學生分析問題和解決問題的能力;

（2）引導學生自主設計實驗。

2.3 ? ?情感、態(tài)度與價值觀

引導學生養(yǎng)成規(guī)范的解題習慣和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度。

3 ? ?教學重點和難點

重點：歐姆定律的相關計算。

難點：動態(tài)電路分析和安全范圍計算。

4 ? ?教學資源準備

創(chuàng)新教具“自制電子體重計”，體驗教具“酒精檢測儀”“電子電表動態(tài)電路演示儀”，演示教具“電路簡化磁鐵板”“煙霧報警教具”，學生學案，多媒體課件，數(shù)字電壓表，數(shù)字電流表等。

5 ? ?教學過程

5.1 ? ?課堂引入

老師提問：如果一個人吃過醪糟湯圓后開車，會不會涉嫌酒駕呢？

設問目的：為了引出本節(jié)課的主線酒精檢測儀。接下來讓學生品嘗重慶特色美食醪糟湯圓，現(xiàn)場互動還原查酒駕的情景。

邀請三位學生上臺，請其中一位學生品嘗半杯醪糟湯圓，再請另外一位學生上講臺扮演小交警，給他佩戴上表演用的交警警帽，拿著改裝過的“吹氣式酒精檢測儀”對喝完醪糟的學生進行酒精檢測，并請最后一位學生進行現(xiàn)場視頻執(zhí)法（用于大屏幕的投屏展示，便于觀察酒精測試儀的指示燈）。

我們發(fā)現(xiàn)，吃過醪糟的學生在吹氣測試時，酒精檢測儀亮黃燈，并發(fā)出“滴滴”的警報聲，表明如果該學生吃過醪糟駕駛機動車輛的話已經(jīng)構成酒駕。通過生活中交警查酒駕使用的酒精檢測儀提出本堂課要學習的內(nèi)容，調(diào)動學生的積極性，提升學生的學習熱情。

設問1：同學們，酒精檢測儀的工作原理是怎么樣的呢？

設問目的：引出接下來要學習的“歐姆定律在串聯(lián)電路中的應用”教學內(nèi)容。

5.2 ? ?新課教學

5.2.1 ? ?理論工具

老師：我們帶著上面這個問題一起來學習“歐姆定律在串聯(lián)電路中的應用”。為了讓大家能夠深入研究這個問題，老師給大家兩大法寶，第一大法寶就是歐姆定律，第二大法寶就是串聯(lián)電路的特點。如圖1所示，這是我們解決串聯(lián)電路問題的理論依據(jù)。

我們以兩個定值電阻為例，R1和R2串聯(lián)在電路中。

應用歐姆定律時需要注意單位統(tǒng)一，對象統(tǒng)一，物理量需要滿足同時性。串聯(lián)電路的總電壓等于各個分電壓之和，總電阻等于各個分電阻之和，電流處處相等。

設計目的：習題課教學應該快速提出本節(jié)課教學所需要的理論工具。通過框架式的知識結構呈現(xiàn)能讓學生直觀掌握本節(jié)課的理論依據(jù)。

5.2.2 ? ?串聯(lián)電路的基本計算

老師：同學們，剛才我們使用的酒精檢測儀中什么物理量在發(fā)生變化呢？電源電壓不變，電流發(fā)生了變化，在以前的學習過程中我們用什么元件來改變電路中的電流呢？

學生：滑動變阻器。

老師：接下來我們就來解決利用滑動變阻器改變電路的基本計算。

例題1 如圖2所示，R1阻值為10 Ω，電源兩端電壓為6 V 。開關S閉合后，求：（1）當滑動變阻器R接入電路的電阻R2為50 Ω時，通過電阻R1的電流I1？（2）當滑動變阻器接入電路的電阻R3為20 Ω時，通過電阻R1的電流I2？

例題設置目的：通過例題訓練學生串聯(lián)電路的基本計算能力，培養(yǎng)學生規(guī)范書寫的習慣。

5.2.3 ? ?串聯(lián)電路動態(tài)電路分析（如圖3所示）

老師：同學們通過剛才的計算，發(fā)現(xiàn)當串聯(lián)電路中滑動變阻器的阻值變小，會導致電路中電流變大。那么在這個過程中，定值電阻兩端的電壓和滑動變阻器兩端的電壓如何變化呢？你的思維順序是怎樣的呢？

教學實施方案：同學們會發(fā)現(xiàn)先對電流的大小變化進行判斷，有助于對定值電阻R1兩端電壓變化的判斷。但是，在教學中學生容易直接用歐姆定律的變形式U=IR進行判斷，R變大時，電流I會減小，這種方式無法判斷此時滑動變阻器兩端電壓的變化。此處需要利用串聯(lián)電路分壓的特點解決這一問題，先判斷定值電阻兩端電壓的變化，再利用電源電壓不變，從而確定滑動變阻器兩端電壓的變化情況（圖4）。

5.2.4 ? ?生活中的應用

滑動變阻器連入電路的阻值減小，使得電路中電流增大，燈泡亮度變大。正是由于滑動變阻器對電路中電流的調(diào)節(jié)作用，我們生活中就用這種電路設計了可以改變燈泡亮度的小臺燈。

5.2.5 ? ?串聯(lián)電路的范圍計算

老師：同學們，剛才我們給臺燈一個力，使得電阻和電路中的電流發(fā)生了變化，那么力和電在這個地方是不是就結合起來了呢？

同學們思考一下，我們能否設計一個電路將力和電聯(lián)系起來呢？

老師：既然力越大就會使得電壓表的示數(shù)越大，我們能不能設計一個東西可以測力的大小呢？

老師：其實老師利用這一原理制作了一個重力秤，可以用來測量物體重力的大小，我已經(jīng)將它帶到了現(xiàn)場。但是，我只做成了一半，直到現(xiàn)在還沒有體驗過，我想請一位同學來第一個體驗，誰想來？看老師發(fā)明的電子秤能不能實現(xiàn)力越大，電表的示數(shù)越大。

此處要注意提醒嘗試的學生注意安全，先盡量邀請較瘦小的學生。

實驗結果表明，當學生站上臺秤時，電壓表指針發(fā)生了明顯的偏轉。具體如圖5所示。

教學情景深入設置：老師也想來親自嘗試一下這個重力秤。

老師站上重力秤，用平板電腦展示出電壓表的示數(shù)變化情況。

學生們會驚訝地發(fā)現(xiàn)：電壓表的指針發(fā)生了巨大幅度的偏轉，甚至超過了電壓表的量程。

老師提問：剛才發(fā)生了什么現(xiàn)象呢？

在這里故意設置一個超過量程的稱量環(huán)節(jié)，為后面解決安全范圍問題埋下伏筆。

老師：同學們發(fā)現(xiàn)沒有，當物體的重力過大時，我們的電壓表甚至會超過量程，很容易損壞電壓表。同學們能不能幫助老師一起來改進這個實驗裝置呢？

老師：為什么電壓表在這一情景中會超過量程呢？我們接下來一起分析一下。

例題2 ?如圖6所示，電源電壓為4.5 V，小燈泡的電阻為5 Ω（其阻值不隨溫度的變化而變化），滑動變阻器R的最大阻值為10 Ω。

（1）請問當滑動變阻器的滑片在R的最上端和最下端時，電壓表的示數(shù)變化范圍是多少？

（2）本題中電壓表的量程為0～3 V，當測量者的重力過大時會使得電壓表的示數(shù)超過量程，從而損壞電壓表。請同學們積極討論，如何既能測量更大的重力，又能保證電路安全呢？

通過第一問的計算我們發(fā)現(xiàn)，當滑片滑到最下端時，電源將4.5 V的電壓全部分給了小燈泡，我們剛才改裝的重力秤的量程是0～3 V，當力增大的時候電壓表就很有可能超過量程。

接下來請學生思考：如何能夠在人過重或力過大的情況下，也不會超過電壓表的安全范圍？

教學過程中學生真實回答情況：

第一位學生：1.將燈泡的電阻減小。2.把電壓表的量程調(diào)到0～15 V。

第二位學生：我有一個想法，在電路中串聯(lián)一個定值電阻。

老師：串一個電阻來起到分壓保護作用，對吧？非常棒！還有其他方法嗎？

第三位學生：減小電源電壓。

學生的回答超出了老師的預料，讓本節(jié)課的思維碰撞達到了高潮。（教學效果分析：此處為本節(jié)課最為精妙的地方，讓老師的設計達到了設計之外的效果，也充分展示了學生的聰明智慧。）

5.2.6 ? ?復雜電路的識別

老師：同學們一起再來看一下酒精檢測儀的電路圖（如圖7）是怎么樣的，看得懂嗎？“用你畢生所學”（故意幽默）看得懂嗎？在平時學習的過程當中我們也會遇到較為復雜的電路圖。

設計目的：利用酒精檢測儀的實際電路圖貫穿本節(jié)課，引出電路識別教學內(nèi)容。

老師：教給大家一個小妙招，識別分析復雜電路圖時，可以采用化繁為簡的思維方式。

串并聯(lián)電路是所有電路最基本的兩種形式，但是生活中的實際電路往往比較復雜。

中考試題中考查多開關問題的頻率較高，其實這些復雜的電路都是由最簡單的電路組成，按照題目的要求，通過閉合多開關的方式，最終化簡的電路往往都是由兩個用電器構成的基本串聯(lián)或并聯(lián)方式。

教學意見：在使用自制教具創(chuàng)意磁貼板教學時，可以讓學生自己來取下磁鐵板做成的元件，并擦除多余的導線。

5.2.7 ? ?串聯(lián)電路的綜合計算與應用

老師：我們用類似的方法，判斷出了酒精檢測儀的基本電路圖，但是我們發(fā)現(xiàn)它并沒有用滑動變阻器，而是用了一個特殊的變阻器——氣敏電阻，它的阻值隨著酒精濃度的增加而減小。

接下來老師給大家最后一個挑戰(zhàn)，利用我們所學的基本計算、動態(tài)分析和范圍計算來解決一個實際問題。

設問：為什么剛才我們使用酒精檢測儀有時測量是亮黃燈，有時是亮紅燈呢？反過來能不能根據(jù)我們改裝的電壓表的示數(shù)來判斷被測試者屬于什么行為。

例題3 ?圖8電路中，R0阻值為10 Ω，電源兩端電壓為4.5 V且保持不變，氣敏電阻的阻值與吹氣時人體血液酒精濃度的關系如圖8所示。（血液酒精濃度大于等于20 mg/100 mL，小于80 mg/100 mL屬于飲酒駕車，亮黃燈;大于等于80 mg/100 mL屬于醉酒駕車，亮紅燈;小于20 mg/100 mL 可駕車。）

（1）當開關S閉合后，小武發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)為2.5 V，請問此時被測試的駕駛員屬于什么行為？

（2）如果圖中電壓表的量程為0～3 V，在電壓表安全范圍內(nèi)，請問所能測量的人體血液酒精濃度的最大值？

第二問學生解決起來比較困難，老師給出方法提示：在動態(tài)電路分析中可以不看中間過程，直接觀察血液酒精濃度的變化最終會引起電壓表怎樣的變化，這樣會讓思維變得簡單（如圖9）。

除了酒精檢測儀這樣的氣敏電阻，其實生活中還有光敏電阻，例如煙霧報警裝置，當有煙霧遮擋住激光照射到光敏電阻上的部分光時，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，電路中電流發(fā)生變化，從而觸發(fā)電鈴。此外，我們中考體考計數(shù)器也是光敏電阻改裝而成的。

拓展教學：除了這些電阻以外，科學家還在致力于追求其他的材料。介紹2007年的諾貝爾物理學獎，獎項頒發(fā)給兩位在“巨磁電阻效應”領域作出突出貢獻的科學家，拓展學生的視野。

5.3 ? ?學生自我總結本節(jié)課所學知識

老師：最后我想請一位同學來總結一下，這節(jié)課你學到了什么？你有什么感悟和啟發(fā)。

學生實際課堂回答案例：物理的動態(tài)分析和范圍計算其實在生活中有很多應用的，比如說剛才的氣敏電阻和煙霧報警裝置，這些都是通過它們的阻值變化來實現(xiàn)的。比如說判斷有沒有酒駕，來幫助我們生活。通過這節(jié)課我也明白了怎么去分析這個題，比如說串聯(lián)電路滑動變阻器兩端電壓變化要通過定值電阻兩端電壓變化來分析。

老師（評價）：非常感謝這位同學的分析，他從知識層面和應用層面總結了本節(jié)課的收獲。

這些電阻是組成我們當今人工智能的核心元器件。老師給大家展示一個仿人機器人的工作視頻，展示當代人工智能的發(fā)展情況。

設計目的：為了拓展學生的視野，能夠?qū)⑺鶎W的知識創(chuàng)新應用于前沿科技，提升學生對科學改變世界的期待。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011.

（欄目編輯 ? ?李富強）