以靜制動(dòng)尋蹊徑 測(cè)量功率塑本源

胥珂

摘? ?要：測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路是動(dòng)態(tài)電路中的重要題型之一，幾乎涉及初中電學(xué)學(xué)習(xí)的所有電學(xué)規(guī)律。尋找其本源性問題是當(dāng)前教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急，解決好測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路可以為教師教學(xué)指明方向，更避免學(xué)生成為刷題機(jī)器，避免師生都處于題海戰(zhàn)術(shù)中。為此，以特殊法測(cè)小燈泡動(dòng)態(tài)電路的本源性問題為例，談如何處理測(cè)量小燈泡電功率的本源性問題，并以此為基礎(chǔ)探討學(xué)生科學(xué)思維的提升。

關(guān)鍵詞：以靜制動(dòng)；本源性思想；小燈泡電功率

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）8-0045-4

測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路可以說是電學(xué)，特別是動(dòng)態(tài)電路中的重要題型之一，幾乎涉及初中電學(xué)學(xué)習(xí)的所有電學(xué)規(guī)律，如串并聯(lián)電路特點(diǎn)、歐姆定律及變形式、電功率等，也涉及研究電學(xué)的模型化方法，如思想模型、圖形模型等，同時(shí)涉及研究電學(xué)的物理原理及科學(xué)方法，如等效替代法、控制變量法等。可以說測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路易讓教師教學(xué)失去方向，讓學(xué)生成為刷題機(jī)器，導(dǎo)致師生埋頭于題海戰(zhàn)術(shù)，不會(huì)對(duì)測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行變通，更無暇顧及測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路的本源性問題，即出現(xiàn)“只見樹木而無森林”的結(jié)果［１］，導(dǎo)致“課堂轟轟烈烈，實(shí)質(zhì)一無所學(xué)”的畸形現(xiàn)象。

對(duì)測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行分類在某種程度上會(huì)直接影響物理學(xué)習(xí)效果，間接影響解決復(fù)雜物理問題的物理觀念及科學(xué)思維，因此，設(shè)計(jì)出分類問題，并進(jìn)行有層次的一系列物理本源性問題的科學(xué)指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)分類問題本源性進(jìn)行整體建構(gòu)，提升解決測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路的科學(xué)思維［２］，為促進(jìn)解決電學(xué)問題在提升核心素養(yǎng)中貢獻(xiàn)一點(diǎn)微薄之力。

在初中物理電學(xué)學(xué)習(xí)中，測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路主要包括測(cè)電阻與測(cè)功率。本文以特殊法測(cè)小燈泡動(dòng)態(tài)電路的本源性問題為例，談如何處理測(cè)量小燈泡電功率的本源性問題，并以此為基礎(chǔ)分析如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，進(jìn)而助推核心素養(yǎng)的提升。

例題1 （２０２１年山東省泰安市第２３題） 在“測(cè)量小燈泡的電功率”實(shí)驗(yàn)中……（５）完成以上實(shí)驗(yàn)后，同學(xué)們又設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖１所示的電路來測(cè)量該小燈泡的額定功率（UL額=2.5 V），Ｒ０為已知阻值的定值電阻。請(qǐng)把他們的實(shí)驗(yàn)步驟補(bǔ)充完整：

①斷開開關(guān)Ｓ２，閉合開關(guān)Ｓ１，Ｓ３，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片Ｐ，＿＿＿＿＿＿＿＿＿；

②保持滑動(dòng)變阻器的滑片位置不變，開關(guān)Ｓ３仍閉合，＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，記錄下電壓表示數(shù)為Ｕ；

③小燈泡的額定功率ＰＬ＝＿＿＿＿＿＿（請(qǐng)用已知量和測(cè)量量表示）。

測(cè)量小燈泡的電功率是測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，特別是對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)電路下特殊法測(cè)量小燈泡的電功率進(jìn)行本源性處理更是解決動(dòng)態(tài)電路問題的一種捷徑，可以說是“以靜制動(dòng)尋蹊徑、測(cè)量功率塑本源”的真實(shí)寫照，不僅可讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析復(fù)雜動(dòng)態(tài)電路的連接方式，而且實(shí)現(xiàn)了電學(xué)規(guī)律綜合化滲透下解決動(dòng)態(tài)電路問題，這是對(duì)測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路本源性處理的根本目的。

【本源性思想】 本題是在常規(guī)測(cè)量小燈泡電功率的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行的拓展，任何一個(gè)測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路無論如何復(fù)雜，基本都是通過測(cè)量原理進(jìn)行拓展形成的。因此，對(duì)本題測(cè)量小燈泡電功率進(jìn)行本源性處理將會(huì)使復(fù)雜的測(cè)量過程脫去“厚重的外衣”，逐漸顯出“測(cè)量原型”；再對(duì)不同條件下測(cè)量小燈泡電功率進(jìn)行分類，將會(huì)使測(cè)量問題簡(jiǎn)單化，進(jìn)而在培養(yǎng)科學(xué)思維的同時(shí)激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，提升解決物理問題的核心素養(yǎng)。

【等效思維】 解決測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路的前提之一是學(xué)會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，畫出簡(jiǎn)單等效電路圖，這是培養(yǎng)高階思維能力的有效途徑之一。畫等效電路圖的基本方法有整體法、隔離法、節(jié)點(diǎn)法。本文以最常見的節(jié)點(diǎn)法對(duì)動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，這是等效思維在簡(jiǎn)化電路中的應(yīng)用。所謂等效思維是以等同效果為基本目的，通過轉(zhuǎn)化思維活動(dòng)的方式來降低思維活動(dòng)的深度，是處理復(fù)雜物理問題的一種常見思維方法。在電路中，導(dǎo)線與導(dǎo)線的連接是節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在導(dǎo)線上（只要導(dǎo)線兩點(diǎn)之間沒有任何電源、用電器、電壓表）移動(dòng)不會(huì)改變電路的連接方式，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)前后的電路是完全等效的［３］，這就是節(jié)點(diǎn)法畫等效電路圖的核心。

【解決問題】 按照上面節(jié)點(diǎn)法畫等效電路圖的方法，節(jié)點(diǎn)選用數(shù)字１，２，３，４來表示，如圖２所示。從電源正極１開始，依次經(jīng)過燈泡Ｌ（節(jié)點(diǎn)１和２）、定值電阻Ｒ０（節(jié)點(diǎn)２和３）、滑動(dòng)變阻器Ｒｐ（節(jié)點(diǎn)３和４）、開關(guān)Ｓ３（節(jié)點(diǎn)４和４），最后到達(dá)電源負(fù)極（還是節(jié)點(diǎn)４）。因此，燈泡Ｌ，Ｒ０，Ｒｐ，Ｓ３組成串聯(lián)電路，開關(guān)Ｓ１與開關(guān)Ｓ２處于節(jié)點(diǎn)２與３之間，即與定值電阻Ｒ０并聯(lián)，電壓表處于１與２之間，即電壓表測(cè)量燈泡Ｌ（連同開關(guān)Ｓ１一起并聯(lián)）的電壓，等效電路圖如圖3所示，這樣的電路圖清晰明朗，避免實(shí)物圖給人眼花繚亂的感覺，進(jìn)一步將測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行本源性處理，這樣再根據(jù)電路圖并結(jié)合電學(xué)規(guī)律，如歐姆定律I=，測(cè)量電功率原理P=UI等，可以解答動(dòng)態(tài)電路。

任何一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)電路都是由多個(gè)靜態(tài)電路構(gòu)成，本題測(cè)量小燈泡電功率也不例外。在用節(jié)點(diǎn)法畫出等效電路圖后，測(cè)量小燈泡電功率的本源性已經(jīng)顯現(xiàn)，測(cè)量原理依然是P=UI，只是通過不同開關(guān)的通斷使電壓表測(cè)量對(duì)象發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小燈泡電功率的測(cè)量。如圖3所示，通過不同開關(guān)的通斷使Ｌ，Ｒ０，Ｒｐ構(gòu)成串聯(lián)電路，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：①閉合開關(guān)Ｓ１，Ｓ３，斷開開關(guān)Ｓ２，此時(shí)電壓表測(cè)量小燈泡的電壓，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Ｒｐ的滑片Ｐ，使電壓表示數(shù)剛好為UL額=2.5 V；②保持電路連接方式及滑動(dòng)變阻器滑片Ｐ位置不變，利用已知定值電阻Ｒ０測(cè)電流，即開關(guān)Ｓ３依然閉合，斷開開關(guān)Ｓ１、閉合開關(guān)Ｓ２，電壓表測(cè)量Ｌ和Ｒ０的總電壓，其示數(shù)為Ｕ，則串聯(lián)電路電流為I=；③根據(jù)測(cè)量原理得出P額=U額·I額，小燈泡額定功率為PL額=UL額·IL額=。

上述“測(cè)量小燈泡電功率”的兩種方案，都是對(duì)本實(shí)驗(yàn)的本源性理解存在偏差，無法實(shí)行。如方案甲的思想是想利用等效替代法尋找小燈泡正常發(fā)光時(shí)的電阻，只是在開關(guān)S由“ａ”轉(zhuǎn)換到“ｂ”過程中，電路電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致該方案無法實(shí)行；方案乙的思想是想利用串聯(lián)分壓原理測(cè)小燈泡正常發(fā)光時(shí)的電阻，只是在開關(guān)S由“ａ”轉(zhuǎn)換到“ｂ”過程中，你能確保兩次電壓表示數(shù)一定為小燈泡的額定電壓2.5 V嗎？所以該方案也無法實(shí)行。如果將定值電阻Ｒ０與小燈泡Ｌ串聯(lián)的順序換一下，即可回到２０２１年山東省泰安市第２３題的題型上來，也就可以完成測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

１? ? 科學(xué)方法下測(cè)量小燈泡電功率的本源性問題

測(cè)量小燈泡電功率的特殊科學(xué)方法之一是等效替代法，去除“層層過多的外殼”后形成測(cè)量性本源性問題，如看似簡(jiǎn)單的測(cè)量小燈泡電功率需要借助等效替代法的方法，這樣將使測(cè)量小燈泡電功率的本源性問題變得更簡(jiǎn)單、便捷，否則將無法完成測(cè)量小燈泡電功率。

２? ? 科學(xué)思維下測(cè)量小燈泡電功率的本源性問題

通過上面對(duì)科學(xué)方法下測(cè)量小燈泡電功率的本源性問題分析可以明顯發(fā)現(xiàn)，在等效替代法的基本思想下將測(cè)量小燈泡電功率的方法回歸本源，會(huì)實(shí)現(xiàn)學(xué)生由形象思維走向抽象思維，培育科學(xué)方法在具體實(shí)踐中的應(yīng)用、促進(jìn)科學(xué)興趣的真正發(fā)生［４］，如果對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行多樣化處理將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)思維在測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路（如測(cè)量小燈泡電功率）中的正確形成，避免了“筆記法”“死記硬背法”等測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路的錯(cuò)誤學(xué)習(xí)方法，為電學(xué)學(xué)習(xí)，乃至整個(gè)初中物理學(xué)習(xí)提供綿薄之力，進(jìn)而為核心素養(yǎng)的提升作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

例題3 ［２０２１年江蘇省鎮(zhèn)江市第２５（４）②］某小燈泡的額定電流為０．３ Ａ，如圖6是小強(qiáng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路（電源電壓恒定），Ｒ１，Ｒ２均為電阻箱（０～９９９．９ Ω）?？梢詫?duì)電路圖及操作進(jìn)行下列調(diào)整，其中仍能完成測(cè)量小燈泡額定功率的有? ? ? ? ? ? ?。

Ａ．將Ｒ１換成導(dǎo)線

Ｂ．將Ｒ２換成導(dǎo)線

Ｃ．將Ｒ２換成適當(dāng)規(guī)格的滑動(dòng)變阻器

Ｄ．在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，先閉合的開關(guān)是Ｓ２

３? ? 歸納總結(jié)

測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路可以說是每年中考考查的熱點(diǎn)之一，年年考年年變，不變的是測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路的本源性問題，不管測(cè)量電路多么復(fù)雜，解決測(cè)量性動(dòng)態(tài)電路的關(guān)鍵在于以本源性問題為根源，化繁為簡(jiǎn)、以靜制動(dòng)，將復(fù)雜動(dòng)態(tài)電路分解成有層次的小的本源性問題［５］，再結(jié)合電學(xué)規(guī)律解決問題，從而形成“見物思理、就物論理”的思想意識(shí)，這也為解決其他物理問題提供一點(diǎn)建議，進(jìn)而在提升科學(xué)思維的基礎(chǔ)上助推核心素養(yǎng)的提升。

參考文獻(xiàn)：

［１］邵澤義，秦曉文.以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向 聚焦本源問題 提升高中物理復(fù)習(xí)課的成效——以交變電流復(fù)習(xí)為例［Ｊ］.中學(xué)物理，２０２０，38（１７）：４２－４５．

［２］衛(wèi)荷晨，朱廣天.高三學(xué)生物理問題分類及表征研究［Ｊ］.中學(xué)物理，２０２０，38（１７）：５－７．

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［５］秦曉文.探究照亮未來——物理教學(xué)中科學(xué)探索的理論與實(shí)踐［Ｍ］.北京：中國青年出版社，２０１７．

（欄目編輯? ? 陳? 潔）