基于內(nèi)阻和電表改裝問(wèn)題的數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)(231551) 劉信生安徽省合肥市廬江縣羅河鎮(zhèn)店橋初級(jí)中學(xué)(231556) 張貴林安徽省合肥市廬江縣教育體育局教研室(231550) 邢海根 傅求寶

初高中物理知識(shí)銜接題是近幾年中考試題的一大亮點(diǎn)，該類(lèi)考題不僅是知識(shí)銜接，更是物理思想和物理方法的銜接，是培育學(xué)生核心素養(yǎng)的一條重要途徑。近幾年，中考物理試題多次出現(xiàn)“內(nèi)阻”和“電表改裝”等考題，由于內(nèi)容抽象，多數(shù)教師應(yīng)對(duì)策略是運(yùn)用理論推導(dǎo)和計(jì)算，應(yīng)對(duì)的辦法是用題海戰(zhàn)術(shù)。筆者也曾是如此，但總是感到有些空落，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解也只能停留在理論層面上，很難體驗(yàn)到改裝的真實(shí)過(guò)程。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生真實(shí)地測(cè)量這些電表的內(nèi)阻？若能設(shè)計(jì)一套電路，能讓學(xué)生實(shí)地體驗(yàn)改裝這些電表的操作過(guò)程，那豈不是更好。如果能用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，另加一些輔助的器具實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將更是錦上添花。實(shí)驗(yàn)室直流電流表和電壓表是最常見(jiàn)的電學(xué)儀表，由于學(xué)生對(duì)這兩種電表的量程、分度值、使用方法等都非常熟悉，也是學(xué)生使用頻率最高的兩種電學(xué)儀表。筆者就利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的雙量程電流表和電壓表，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行真實(shí)的電路改裝實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)改裝實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，讓學(xué)生感受到科學(xué)的奧秘和探索的快樂(lè)，親身體會(huì)“做中學(xué)”的教學(xué)理念?！扒еv萬(wàn)教說(shuō)不清，一看實(shí)驗(yàn)全明白”，也就是這個(gè)道理。

1 電流表的“擴(kuò)程”實(shí)驗(yàn)及其內(nèi)部電阻分析

1.1 將電流表的0.6 A量程改成3 A量程的“擴(kuò)程”實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：J1209型學(xué)生直流電源1只(量程為40 A)，J0407型電流表2只，鎳鉻合金絲1根(阻值為1 Ω左右)。HPS2501A型數(shù)字毫歐計(jì)1只(測(cè)量范圍0～2 Ω，分度值為1 mΩ)，滑動(dòng)變阻器(50 Ω,5 A)1只，開(kāi)關(guān)1只，帶鱷魚(yú)夾的導(dǎo)線若干根。

如圖1所示連接實(shí)物圖，電流表A1接0.6 A且與鎳鉻合金絲并聯(lián)后再與電流表A2串聯(lián)組成，接入開(kāi)關(guān)S，讓滑動(dòng)變阻器處在阻值最大位置。

實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)接通電源，閉合開(kāi)關(guān)S，滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器使電流表A2的示數(shù)為滿(mǎn)偏3 A。

(2)再移動(dòng)與A1表并聯(lián)的鎳鉻合金絲上的鱷魚(yú)夾的位置，使電流表A1的示數(shù)為滿(mǎn)偏0.6 A為止。并記下此時(shí)兩鱷魚(yú)夾的位置。此時(shí)鎳鉻合金絲上通過(guò)的電流值為：I絲=I2-I1=3 A-0.6 A=2.4 A。

1.2 電流表的內(nèi)部電路組成及阻值分析

如圖3所示，圖3(a)為J0407型電流表的接線柱間標(biāo)識(shí)電路圖，圖3(b)為其電路結(jié)構(gòu)圖。

(1)若將電流表“—”和“0.6 A”兩接線柱接入電路中，這時(shí)，電路是兩條支路并聯(lián)：一條支路是10 Ω的小量程表頭和65 Ω串聯(lián)，另一條支路是0.11 Ω和0.44 Ω電阻串聯(lián)。電路的總電阻為:

(2)若將電流表“—”和“3 A”兩接線柱接入電路中，電路是兩條支路并聯(lián)：一條支路是10 Ω的小量程表頭和65 Ω、0.44 Ω電阻串聯(lián)，另一條支路是0.11 Ω電阻。此時(shí)的總電阻為：

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖：電流表A2在電路中作用有:①運(yùn)用“等效替代法”，當(dāng)A2表上電流為3 A，A1表上電流為0.6 A時(shí)，此時(shí)A1表和鎳鉻合金絲并聯(lián)后的共同作用效果與A2表相同；②串聯(lián)A2表在電路中的目的是可以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使電路的電流為3 A,方便讀數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中起到對(duì)照作用。

2 電壓表的“擴(kuò)程”實(shí)驗(yàn)及其內(nèi)部電阻分析

2.1 探究將電壓表由3 V量程改裝成15 V量程電壓表“擴(kuò)程”

實(shí)驗(yàn)器材：J1209型和J04004型直流電源各1臺(tái),DT-9205A型數(shù)字萬(wàn)用表1只，J0409型電壓表2只，音響用電位器(0～200 kΩ)1只，滑動(dòng)變阻器(50 Ω,10 A)1只，開(kāi)關(guān)1只,導(dǎo)線若干根。

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)如圖4所示,連接實(shí)物電路,將2個(gè)學(xué)生電源串聯(lián)起來(lái),旋轉(zhuǎn)電壓按鈕，使2個(gè)電源輸出電壓值的和為15 V。電壓表V1接“—”和“3 V”接線柱和電位器R器串聯(lián)后，再與電壓表V2的“15 V”接線柱并聯(lián)，接上開(kāi)關(guān)S，再使R器和R滑調(diào)至阻值最大處。

(2)接通電源，閉合開(kāi)關(guān)S,滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器，使V2表的示數(shù)為15 V，達(dá)到滿(mǎn)偏，再調(diào)節(jié)電位器R器,直至V1表的示數(shù)為3 V，達(dá)到滿(mǎn)偏，此時(shí)電位器R器分得電壓U器=15 V-3 V=12 V。

(3)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S,將數(shù)字萬(wàn)用表的旋鈕開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至電阻200 kΩ檔位處，分別測(cè)出電壓表的“—”和“3 V”兩接線柱的電阻為R1=2.93 kΩ，再測(cè)出此時(shí)電位器的阻值R器=11.69 kΩ,在誤差允許的范圍內(nèi)，從圖5中測(cè)量的數(shù)據(jù)中看出：R2=R1+R器。

2.2 電壓表的內(nèi)部電路組成及阻值分析

如圖6所示，圖6(a)為J0409型電壓表的接線柱間標(biāo)識(shí)電路圖，圖6(b)為其內(nèi)部電路圖。

(1)若將電流表“—”和“3 V”兩接線柱接入電路中，小表頭100 Ω和2.9 kΩ的2個(gè)電阻串聯(lián)，此時(shí)的總電阻為:

R1=100 Ω+2.9 kΩ=3.0 kΩ

(2)若將電流表“—”和“15 V”兩接線柱接入電路中，小表頭100 Ω、2.9 kΩ和12 kΩ的3個(gè)電阻串聯(lián)，此時(shí)的總電阻為:

R2=100 Ω+2.9 kΩ+12 kΩ=15 kΩ。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖：電壓表V2在電路中作用有:①運(yùn)用“等效替代法”，當(dāng)V2表上電壓為15 V，V1表上電壓為3 V時(shí)，此時(shí)V1表和電位器串聯(lián)后的共同作用效果與V2表相同；②并聯(lián)連接V2的目的是：通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使并聯(lián)電路部分的電壓值為15 V,方便讀數(shù)，起到對(duì)照實(shí)驗(yàn)作用。

3 理論推導(dǎo)電表改裝的原理

現(xiàn)實(shí)生活中的各種量程的電流表和電壓表的核心部件是靈敏電流計(jì)，由于靈敏電流計(jì)的量程只有300 μA左右，所以大量程的電表必須要經(jīng)過(guò)改裝，即“擴(kuò)程”。下面，用理論推導(dǎo)方式分析電表的改裝原理。

3.1 用靈敏電流計(jì)表頭改裝電流表

如圖7所示，靈敏電流計(jì)的滿(mǎn)偏電流Ig太小，直接用于測(cè)量會(huì)燒壞表頭，為了擴(kuò)大量程，必須給表頭并聯(lián)一個(gè)分流電阻R0，改裝后的新表(電流表)參數(shù)如下：

其中，R0越小，擴(kuò)大的倍數(shù)越大。

3.2 用靈敏電流計(jì)表頭改裝電壓表

如圖8所示，當(dāng)“—”和“正接線柱A”接入電路時(shí)：

擴(kuò)大的倍數(shù)為n：

則R1=(n-1)Rg

當(dāng)“—”和“正接線柱B”接入電路時(shí)：

擴(kuò)大的倍數(shù)為n：

則，R2=(n-1)Rg-R1。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)初中學(xué)生思維水平較低，認(rèn)知層次不高的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，只從理論層面上推導(dǎo)出電表內(nèi)阻和電表改裝問(wèn)題，直接將結(jié)果交給學(xué)生是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。必須在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，拉長(zhǎng)思維過(guò)程，降低思維難度，在動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理和科學(xué)論證，在體驗(yàn)中感悟科學(xué)知識(shí)的奧妙，實(shí)現(xiàn)在“做中學(xué)、學(xué)中悟、悟中用”，真正落實(shí)“重過(guò)程”教學(xué)，在過(guò)程中慢“悟”其中的道理。過(guò)程雖然較繁瑣，收獲的不只是紙面上的答案，關(guān)鍵是培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。