李智萌
關(guān)鍵詞:伏安法;內(nèi)接法;外接法;誤差分析;系統(tǒng)誤差消除
中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2017)1-0077-4
1 教學(xué)設(shè)計(jì)
1.1 實(shí)驗(yàn)引領(lǐng) ,激發(fā)認(rèn)知沖突
教師:同學(xué)們,通過前面一個(gè)階段的學(xué)習(xí),大家是否還能記起歐姆定律的內(nèi)容表達(dá)?
學(xué)生(異口同聲):
教師:對于將表頭改裝成電壓表和電流表你知道些什么?
學(xué)生:將表頭改裝成電流表需要并聯(lián)電阻,并聯(lián)電阻越小,量程越大;
將表頭改裝成電壓表需要串聯(lián)電阻,串聯(lián)電阻越大,量程越大!
教師(舉起電阻元件10 Ω):老師這里有一個(gè)純電阻,大家能否想出一個(gè)辦法來測量該電阻的阻值呢?
學(xué)生A:把電阻接入電路中,測量相應(yīng)的電流和電壓。用電壓值比上電流值,便可得電阻的阻值!
教師(肯定學(xué)生的觀點(diǎn)):對于該問題的輪廓我們已經(jīng)有了一個(gè)整體的把握,那么同學(xué)們能不能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路圖來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量呢?
(教師要求學(xué)生畫圖并板演,同時(shí)巡視學(xué)生的作答情況并尋找學(xué)生不盡相同的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)圖,如圖1、圖2所示)
教師:這兩種實(shí)驗(yàn)電路能不能測電阻?這兩種實(shí)驗(yàn)電路有沒有異同點(diǎn)?這兩種實(shí)驗(yàn)電路誰能測得精準(zhǔn)?
學(xué)生:……
師生 在黑板上板演過的學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的電路圖測量定值電阻,教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中充當(dāng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)助手,體現(xiàn)教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性。
教師 引導(dǎo)學(xué)生觀察投影儀上呈現(xiàn)的儀器數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。尋找問題“一組數(shù)據(jù)測量接近理論值,一組數(shù)據(jù)測量誤差較大”,從而引起學(xué)生的認(rèn)知沖突。引入課題“內(nèi)接外接”。
1.2 理論分析,體現(xiàn)科學(xué)求真
教師:如圖3所示的電路連接的基本特征是什么?
學(xué)生:電流表接在內(nèi)部。
教師:連接電壓表的目的是什么?能不能精準(zhǔn)地測量該電壓呢?測不準(zhǔn)的原因又是什么呢?
學(xué)生:“想”測量作用在電阻兩端的電壓,但是不能精準(zhǔn)測量,測不準(zhǔn)的原因主要是電流表有內(nèi)阻,要分擔(dān)部分電壓。
教師:測量值和真實(shí)值之間的關(guān)系是什么?
教師:連接電流表的目的是什么?能不能精準(zhǔn)地測量該電流呢?
學(xué)生:“想”測量流經(jīng)電阻的電流,能夠精準(zhǔn)測量。
教師:測量值和真實(shí)值之間的關(guān)系是什么?
教師:什么時(shí)候測量值和真實(shí)值非常接近?請同學(xué)們從數(shù)學(xué)的角度分析!
學(xué)生:讓電流表兩端的電壓UA近似等于0 V。
教師:測量電阻和電流表是串聯(lián)在電路當(dāng)中的,同學(xué)們能否從物理學(xué)的角度根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點(diǎn)分析出是測量電阻較大的時(shí)候,UA近似為0 V;還是測量電阻較小的時(shí)候,UA近似為0 V?
學(xué)生:串聯(lián)電路分壓與阻值成正比,因此測量電阻要大,才會(huì)讓UA近似為0 V。
教師:那么根據(jù)你的推斷,在測得較為精確的基礎(chǔ)上,內(nèi)接法是應(yīng)該測量大電阻還是應(yīng)該測量小電阻?
學(xué)生:內(nèi)接法用來測大電阻。
教師(說文解字):在“內(nèi)”這個(gè)字里面包含了一個(gè)“大”字,我們歸納為“內(nèi)大大”。同學(xué)們能不能從我們思考的維度,說說“內(nèi)大大”這兩個(gè)“大”是什么意思?
學(xué)生:第一個(gè)“大”是測量值比真實(shí)值大的意思,第二個(gè)“大”是用來測大電阻的意思!
教師:回答正確!那么其他同學(xué)對內(nèi)接法有沒有什么疑問?
學(xué)生(貌似清晰):沒有!
教師(拋出問題):什么是大電阻?大電阻有多大?10 000 Ω的電阻大不大,那么相比100 000 Ω的電阻又如何呢?10 000 Ω的電阻究竟是大還是???
學(xué)生:......
1.3 自主探求,強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體
教師 任務(wù)布置(填寫外接法相應(yīng)的學(xué)案內(nèi)容,如圖4、表1所示)
學(xué)生 小組合作(填寫學(xué)案,當(dāng)堂講述)
1.4 結(jié)論生成,側(cè)重師生互動(dòng)
學(xué)生 針對“內(nèi)接法外接法”進(jìn)行總結(jié)歸納
教師 沿著學(xué)生歸納的思路同步板書與引導(dǎo)
2 問題探討
2.1 問題提出
在本節(jié)課結(jié)束之后,對于“內(nèi)接法外接法”兩種連接方式學(xué)生進(jìn)行了深刻的思考和理性的質(zhì)疑,筆者將學(xué)生的認(rèn)知矛盾歸納為三點(diǎn):
是不是意味著用兩種不同的方式測量同一電阻時(shí),電阻阻值大小相等呢?
(2)既然內(nèi)接法能夠準(zhǔn)確地測量流經(jīng)導(dǎo)體的電流,外接法能夠準(zhǔn)確地測量作用在導(dǎo)體兩端的電壓,那么用準(zhǔn)確的電壓比上準(zhǔn)確的電流,我們能不能得到測量電阻的準(zhǔn)確值?
(3)既然內(nèi)接外接兩種方式都不能正確地測量出電阻值的大小,那么是否存在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,能夠消除實(shí)驗(yàn)帶來的系統(tǒng)誤差,從而正確測量電阻阻值?
2.2 問題解決
基于學(xué)生目前的提問能力和現(xiàn)有的認(rèn)知水平,筆者和學(xué)生共同探討了以上三個(gè)問題。
(1)算算看
根據(jù)測量值的相應(yīng)計(jì)算,不難發(fā)現(xiàn)內(nèi)接法測量的電阻為R+RA,外接法測量的電阻為R||RV,如果測量出來的阻值相同,不難得到如下的等式:R+RA=R||RV(1)
根據(jù)電流表和電壓表內(nèi)部的相應(yīng)內(nèi)阻參數(shù),易得RA<<4R,方程無解。這便揭示出用內(nèi)接法或外接法測量同一個(gè)電阻,測量電阻阻值絕對不可能相等!
(2)比比看
由于學(xué)生對比值定義法的理解也不夠深刻,導(dǎo)致學(xué)生在理解的深度上產(chǎn)生現(xiàn)有的知識困境。電阻本身的定義較為抽象,筆者另從速度的視角出發(fā),進(jìn)行較為貼切的類比。具體形式如下:
假設(shè)現(xiàn)在你跑400.000 m,精確到小數(shù)點(diǎn)后三位的400.000 m,距離很精確吧!此時(shí),我給你日晷,讓你測量你運(yùn)動(dòng)4 000.000 m運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。那么,你運(yùn)動(dòng)的速度是不是應(yīng)該用運(yùn)動(dòng)距離除以時(shí)間,你覺得速度測得準(zhǔn)不準(zhǔn)呢?——距離準(zhǔn),時(shí)間不準(zhǔn),速度不準(zhǔn)。
跑完之后,你又去長跑,從學(xué)校高中部跑到初中部,我給你一把米尺讓你去測量你跑的距離,給你銫原子鐘去測量你跑的時(shí)間。此時(shí),用運(yùn)動(dòng)的距離除以運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也應(yīng)該得到相應(yīng)的速度!你覺得速度測得準(zhǔn)不準(zhǔn)呢?——距離不準(zhǔn),時(shí)間準(zhǔn),速度不準(zhǔn)。
既然如此,同學(xué)們能不能說運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確速度等于上面兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中準(zhǔn)確的距離和準(zhǔn)確的時(shí)間的比值呢?顯然是不能的,因?yàn)槲覀冄芯康氖遣煌倪\(yùn)動(dòng)過程!同樣,你是研究不同的電路中的電阻,因此那么用準(zhǔn)確的電壓比上準(zhǔn)確的電流,從而得到測量電阻的準(zhǔn)確值的想法的確欠妥!
(3)查查看
對于有缺陷的實(shí)驗(yàn)方案,我們理應(yīng)設(shè)法去改進(jìn)。學(xué)生的提問一語中的,充分閃現(xiàn)出智慧的火光。筆者在查閱資料的時(shí)候,查閱到這樣的一道實(shí)驗(yàn)試題,其內(nèi)容表述大致如下:設(shè)計(jì)如圖5所示的實(shí)驗(yàn)電路,通過該電路測量電阻Rx的阻值,能夠有效地消除因電壓表和電流表內(nèi)阻而產(chǎn)生的誤差。
由此可知,通過該種方式能夠消去相應(yīng)的系統(tǒng)誤差,得到準(zhǔn)確的電阻測量值。
既然外接法能夠通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)消除系統(tǒng)誤差,那么內(nèi)接法同樣可以通過巧妙設(shè)計(jì)來消除系統(tǒng)誤差,對此筆者進(jìn)行了如下簡要的思考。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖如圖6所示:
同樣,通過此種方式也能夠消去相應(yīng)的系統(tǒng)誤差,得到準(zhǔn)確的電阻測量值。
3 課后反思
學(xué)而不思則罔,思而不學(xué)則殆。愛因斯坦曾經(jīng)說過:“提出一個(gè)問題,往往比解決一個(gè)問題更重要?!睂W(xué)生提出的問題,教師在課堂中需要進(jìn)行預(yù)設(shè),這樣才能豐富學(xué)生的學(xué)。教師在教學(xué)過程中需要將學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為問題,引導(dǎo)學(xué)生在問題的解決過程中發(fā)現(xiàn)新的問題、提出新的問題、并解決新的問題,用問題去驅(qū)動(dòng)課堂探究?;趯W(xué)生提出的問題,本節(jié)課在內(nèi)容的組織形式上也應(yīng)該產(chǎn)生相應(yīng)的變化。對此,筆者認(rèn)為在原有教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,應(yīng)當(dāng)再串聯(lián)一段“改進(jìn)實(shí)驗(yàn)電路,減小系統(tǒng)誤差”的教學(xué)環(huán)節(jié),從而達(dá)到內(nèi)容合理、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、脈絡(luò)清晰、思維創(chuàng)新的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn):
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[3]毛永輝.電流表內(nèi)、外接法選擇依據(jù)的理論分析[J].物理通報(bào),2006(2):63-64.
(欄目編輯 鄧 磊)