(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210000)

1 問題的提出

1.1 教材中對(duì)于問題的描述

在人教版高中物理選修3-1第二章第八節(jié)“多用電表的原理”中,介紹了利用多用電表的歐姆擋來直接測(cè)量電阻的原理;在第九節(jié)“實(shí)驗(yàn):練習(xí)使用多用電表”中,安排了測(cè)量二極管正反向電阻的相關(guān)實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證二極管的單向?qū)щ娦?。同時(shí),在腳注部分,教材說明了對(duì)于使用不同歐姆擋測(cè)量同一二極管的阻值會(huì)相差很多這一現(xiàn)象。但對(duì)于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因,教材中的解釋僅為“二極管是非線性原件,它的阻值與通過電流的大小有關(guān)”,其著重點(diǎn)為判斷二極管的好壞,以及區(qū)分其正負(fù)極,并說明了“讀出的電阻數(shù)值沒有實(shí)際意義”。如果不通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生很容易忽略這一問題,教師也可能像教材一樣對(duì)這一內(nèi)容一筆帶過。

1.2 實(shí)驗(yàn)中的黑箱問題

在教材的“問題與練習(xí)”部分,包括一些競(jìng)賽類的實(shí)驗(yàn)中,都設(shè)有電學(xué)黑箱實(shí)驗(yàn),使用多用電表探究黑箱內(nèi)的電學(xué)元件。有的黑箱中放置了二極管,學(xué)生通過使用多用電表的歐姆擋,利用紅黑表筆進(jìn)行正反向的測(cè)量,可以得知接線柱之間二極管的存在及其擺放方向。有的學(xué)生會(huì)在實(shí)驗(yàn)之余想要測(cè)量出二極管的正向電阻,如果用歐姆表的不同擋位來進(jìn)行測(cè)量,就會(huì)發(fā)現(xiàn)阻值并不相同,進(jìn)而引發(fā)進(jìn)一步的探究。

以MF47型多用電表為例,測(cè)量電學(xué)元件黑箱中二極管的正向電阻阻值如表1所示。由此可以清楚地看出,用不同歐姆擋測(cè)出的阻值確實(shí)有很大的差別。

表1

2 理論分析

2.1 多用電表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多用電表歐姆擋內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，當(dāng)改變擋位時(shí),電表內(nèi)部電池的電動(dòng)勢(shì)沒有改變,但多用電表的內(nèi)阻值發(fā)生了很大的變化。[1]由于各擋位的內(nèi)阻值等于中值電阻(即歐姆表盤的中間刻度值)，MF47型多用電表的×1擋的內(nèi)阻為16.5Ω,×10擋的內(nèi)阻為165Ω,而×100擋的內(nèi)阻為1650Ω……可見,以10倍的倍率改變擋位時(shí),其內(nèi)阻也在以10倍的倍率改變。

2.2 二極管的伏安特性

二極管為非線性元件,其正向電阻大小與通過的電流大小有關(guān),并非為一定值,即與加在其兩端的電壓大小有著直接的關(guān)系。以硅管為例,其加正向電壓時(shí)的伏安特性曲線如圖2所示。當(dāng)加于在其兩端的正向電壓小于0.5V時(shí),二極管表現(xiàn)出很大的電阻,并且電阻值隨著電壓的升高而緩慢減小;當(dāng)所加正向電壓大于0.5V時(shí),二極管的電阻會(huì)迅速減小。

圖1

圖2

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與結(jié)果分析

將調(diào)至歐姆擋的多用電表看作電源,其電動(dòng)勢(shì)為一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì),內(nèi)阻由電池的內(nèi)阻r和表內(nèi)串、并聯(lián)的電阻及表頭的內(nèi)阻r0組成。將多用電表接入帶有滑動(dòng)變阻器的電路中,在不同量程下,測(cè)量得到電源的I-U特性曲線如圖3所示。

圖3

圖4

由圖3可知,當(dāng)改變擋位時(shí),多用電表相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻在改變的電源,選擇擋位的倍率越大,其內(nèi)阻就越大,用其來測(cè)量同一個(gè)電學(xué)元件時(shí),加在其兩端的電壓就會(huì)發(fā)生改變。若待測(cè)元件為線性元件,其阻值為定值,那么改變擋位對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。但由于二極管為非線性元件,電阻并非定值,就會(huì)出現(xiàn)用不同擋位時(shí)所測(cè)阻值不同的現(xiàn)象。通過圖像不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用×1擋時(shí),多用電表歐姆擋的內(nèi)阻較小,測(cè)量二極管時(shí)其紅、黑表筆之間的輸出電壓較高,因此二極管電阻的測(cè)量值較小;當(dāng)擴(kuò)大擋位的倍率之后,電表的內(nèi)阻變大,紅、黑表筆之間輸出電壓隨之降低,二極管電阻的測(cè)量值隨即變大。[2]

將圖2與圖3相結(jié)合,可得圖4結(jié)果,圖中三條直線與曲線的三個(gè)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫、縱坐標(biāo)即為二極管在不同量程下的電壓和電流值。從圖4中可以直觀地看出：在不同擋位下,紅、黑表筆間提供給二極管的電壓不同,測(cè)得二極管的電阻也就不同,用×1擋測(cè)得的電阻最小。

4 對(duì)教學(xué)的啟示

4.1 關(guān)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰皢栴}提出能力的培養(yǎng)

黑箱實(shí)驗(yàn)為學(xué)生的拓展探究項(xiàng)目,在現(xiàn)行教材中,作為學(xué)習(xí)多用電表之后的練習(xí)題,體現(xiàn)了新課標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視,對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和探究能力也有了進(jìn)一步的要求。在這樣的大背景下,教師更應(yīng)該注重對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)。黑箱實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn),有許多值得挖掘和研究的地方。在常規(guī)的探究內(nèi)部電學(xué)元件的實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生通過多用電表的使用,測(cè)量各接線柱之間的電壓、電阻等數(shù)值,判斷其中的元件類型,由此可以培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退季S能力。[3]同時(shí)結(jié)合教師的適當(dāng)引導(dǎo),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中也能夠發(fā)現(xiàn)一系列新的問題,例如本文中提到的二極管正向阻值的問題。此類問題如果不通過親身試驗(yàn),僅僅是依靠書本上的幾句話來進(jìn)行原理說明的話,很可能被學(xué)生忽略,也不容易為學(xué)生所理解。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提出衍生性的問題,不僅培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的能力,也使學(xué)生充分體驗(yàn)了科學(xué)探究的完整過程,提高了問題意識(shí)。同時(shí),通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠更好地掌握和理解物理知識(shí)。

4.2 關(guān)于教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的思考

對(duì)于教師來說,要正確引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn),在適當(dāng)介紹實(shí)驗(yàn)原理及步驟之后,應(yīng)放手讓學(xué)生來對(duì)黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究,適時(shí)加以指導(dǎo)。教師不應(yīng)照本宣科,僅僅教授課本中所提到的內(nèi)容,這樣便固化了學(xué)生的思維,而應(yīng)充分給予學(xué)生自主的思考空間,由問題引發(fā)實(shí)驗(yàn)探究,再由實(shí)驗(yàn)誘發(fā)新的問題,如此良性循環(huán),提高其科學(xué)探究能力。