程柏

(新疆兵團(tuán)第七師高級中學(xué) 新疆 伊犁 833200)

1 教具裝置介紹

如圖1所示，在長107 cm、寬58 cm的木板右側(cè)畫出限流、分壓電路圖，左側(cè)對應(yīng)地將穩(wěn)壓電源(8 V)、開關(guān)、數(shù)字電流表、電壓表，滑動變阻器5 Ω,20 Ω,50 Ω，小燈泡(9 V,0.37 A),紅色發(fā)光二極管及串聯(lián)的定值電阻(225 Ω)，自制定值電阻62 Ω固定在木板上.

圖1 教具裝置圖

2 電路設(shè)計(jì)

(1)將限流、分壓電路整合在一起：如圖2所示，當(dāng)S2斷開時(shí)為限流電路，S2閉合時(shí)為分壓電路，通過對比讓學(xué)生認(rèn)清兩種電路結(jié)構(gòu)不同.

(2)功能拓展：使得負(fù)載元件可以選擇定值電阻、小燈泡、發(fā)光二極管；滑動變阻器可選擇5 Ω,20 Ω,50 Ω 3種量程.

圖2 限流、分壓電路整合電路圖

圖3為實(shí)驗(yàn)裝置電路圖.開關(guān)S1斷開，不接觸1,2,3觸點(diǎn)，即采用滑動變阻器限流式接法：對應(yīng)開關(guān)S4接觸點(diǎn)1時(shí)，接入滑動變阻器50 Ω；對應(yīng)開關(guān)S4接觸點(diǎn)2時(shí)，接入滑動變阻器20 Ω；對應(yīng)開關(guān)S4接觸點(diǎn)3時(shí)，接入滑動變阻器5 Ω.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置電路圖

當(dāng)開關(guān)S1閉合，則采用滑動變阻器分壓式接法：S1,S4閉合于對應(yīng)的1處，采用滑動變阻器50 Ω分壓接法；S1,S4閉合于對應(yīng)觸點(diǎn)2時(shí)，采用滑動變阻器20 Ω分壓接法；S1,S4閉合于對應(yīng)的3處，采用滑動變阻器5 Ω分壓接法.

3 功能用途展示

3.1 演示限流接法時(shí) 電流電壓的變化規(guī)律

將電路圖圖3中的開關(guān)S1斷開;開關(guān)S2閉合至觸點(diǎn)2，接入燈泡負(fù)載;閉合開關(guān)S3至觸點(diǎn)1；閉合開關(guān)S3,閉合開關(guān)S4至觸點(diǎn)2，接入滑動變阻器20 Ω；呈現(xiàn)限流電路如圖4所示.

圖4 限流電路圖

滑片先置于最左端，閉合開關(guān)S,將滑片從最左邊緩慢地移動至最右邊，觀察燈泡的發(fā)光情況，記錄電流表A2,A3和電壓表V2,V3的數(shù)據(jù)變化，發(fā)現(xiàn)I2=I3且最小電流不為零；U1=U2+U3串聯(lián)分壓的規(guī)律.

3.2 探究分壓接法的電路結(jié)構(gòu)

將圖3中的開關(guān)S1閉合至觸點(diǎn)2;開關(guān)S2閉合至觸點(diǎn)2，接入燈泡負(fù)載;閉合開關(guān)S3至觸點(diǎn)1；閉合開關(guān)S4至觸點(diǎn)2，接入滑動變阻器20 Ω；呈現(xiàn)分壓電路如圖5所示.

圖5 分壓電路圖

閉合開關(guān)S,將滑片從最左邊緩慢地移動至最右邊，記錄各電表的示數(shù)，容易觀察到：

(1)當(dāng)滑片置于最左端a時(shí)，電流表A2示數(shù)、電壓表V2示數(shù)幾乎為零，即通過燈泡的電流和兩端的電壓均幾乎為零；

(2)滑片P在由a到b的過程中，電流表A2,A3示數(shù)均在增加，且恒有電流表A3示數(shù)等于電流表A1與電流表A2示數(shù)之和，電壓表V2,V3的示數(shù)恒等于電壓表V1的示數(shù)，即分壓接法電路的結(jié)構(gòu)為燈泡和滑動變阻器aP部分并聯(lián)，再與Pb部分串聯(lián).

3.3 限流和分壓電路的調(diào)壓范圍對比

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：限流接法，燈泡電壓V2調(diào)節(jié)范圍在2.75～6.71 V；而采用分壓接法，燈泡電壓V3調(diào)節(jié)范圍在0.30～6.40 V；顯然分壓式接法，對負(fù)載燈泡電壓調(diào)節(jié)范圍要大.

3.4 分壓式接法選擇總阻值不同的滑動變阻器對負(fù)載電阻調(diào)壓效果比較

先將圖3中開關(guān)S2閉合至觸點(diǎn)3，接入定值電阻62 Ω，閉合開關(guān)S3至觸點(diǎn)1.分別接入滑動變阻器50 Ω,20 Ω,5 Ω；將滑片從最左邊緩慢移動至最右邊，觀察電阻負(fù)載中電流、電壓的變化，對比體會調(diào)壓的便捷性和精確性.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：使用總阻值為50 Ω的滑動變阻器時(shí)，右移滑片過程中，開始定值電阻兩端電壓增加很緩慢，但增大到某一值時(shí)，其增長的幅度驟然變大，想把電壓調(diào)節(jié)某一確定值就很困難，而換做滑動變阻器5 Ω，電壓隨RaP變化均勻，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系.

如圖6所示，教師可以從理論上說明，滑動變阻器總阻值越小于負(fù)載電阻R的值，移動滑片時(shí)負(fù)載電壓變化的線性程度越好、越方便讀數(shù).

圖6 總阻值不同滑動變阻器對負(fù)載電阻調(diào)壓效果理論說明圖

3.5 限流電路和分壓電路的能耗對比

對燈泡選擇滑動變阻器20 Ω，如圖7(a)所示：采用限流電路，在調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片使得燈泡兩端電壓約為6.2 V情況下，記錄下干路電流表A3示數(shù)約為449 mA和路端電壓V1的示數(shù)為7.85 V；如圖7(b)所示：采用分壓電路，在調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片使得燈泡兩端電壓約為6.2 V情況下，記錄下干路電流表A3示數(shù)約為769 mA和路端電壓V1的示數(shù)為7.67 V；不難發(fā)現(xiàn)分壓式接法耗能更大，所以在兩種接法調(diào)節(jié)燈泡電壓都可行的情況下，優(yōu)先考慮限流式接法，更方便，更節(jié)能.

(a)限流電路

(b)分壓電路

3.6 對動態(tài)電路的規(guī)律演示

(1)對于圖3限流式電路，當(dāng)滑片向右滑動時(shí)，變阻器RPb阻值變小，實(shí)驗(yàn)觀察到電流表A2,A3,電壓表V2示數(shù)在變大，而電壓表V1,V3示數(shù)變小；驗(yàn)證了“串反并同”規(guī)律.

(2)將圖3中的開關(guān)S1閉合至觸點(diǎn)2;開關(guān)S2閉合至觸點(diǎn)3，接入定值電阻62 Ω;閉合開關(guān)S3至觸點(diǎn)1；閉合開關(guān)S4至觸點(diǎn)2，接入滑動變阻器20 Ω；呈現(xiàn)分壓電路如圖8所示.

圖8 動態(tài)電路規(guī)律演示電路圖

問：當(dāng)把滑片從a向b移動時(shí)，各個(gè)電表如何變化？“串反并同”的規(guī)律還適用么？

設(shè)電路ab兩點(diǎn)間的總電阻為Rab,定值電阻記為R0，滑動變阻器總阻值記為R，由串并聯(lián)電路的性質(zhì)可知

當(dāng)RPa↓→Rab↓→I3↑→U內(nèi)↑→U1↓；

由并聯(lián)分流可知：

當(dāng)RaP↑→I2↑→U2↑=I2↑R0→U3↓=U1↓-U2↑；唯有電流表A1的示數(shù)變化不能確定.

這一生成的教育資源必將促進(jìn)愛動腦筋的學(xué)生們?nèi)ミM(jìn)一步思考.

3.7 功能拓展

該演示裝置還可以測繪線性元件定值電阻、非線性元件小燈泡、發(fā)光二極管的伏安特性曲線，伏安法測電阻，測電源電動勢和內(nèi)阻等實(shí)驗(yàn)，可謂是多功能演示器.

4 創(chuàng)新要點(diǎn)

(1)展示板大方穩(wěn)固，線路直觀簡明，實(shí)物、電路圖一一對應(yīng)，便于觀察、思考.

(2)操作方便，效果明顯.限流和分壓電路整合在一起，通過自制單刀多向開關(guān)，方便實(shí)現(xiàn)兩種電路結(jié)構(gòu)和不同規(guī)格滑動變阻器以及負(fù)載元件的選擇.

(3)電流、電壓表數(shù)字化，能有效動態(tài)演示，便于記錄數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

(4)功能豐富，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，通過組合元件，改變電路結(jié)構(gòu)，探究教學(xué).

5 教育啟示

物理演示實(shí)驗(yàn)的教育功能在于通過觀察感知活動形成物理知覺，通過自覺表象活動使物理知覺上升為物理表象，再通過發(fā)生認(rèn)知沖突促進(jìn)認(rèn)知圖示的發(fā)展，由認(rèn)知圖示產(chǎn)生物理的概念和規(guī)律.區(qū)別限流、分壓電路不同結(jié)構(gòu)、不同規(guī)律、不同功能，就應(yīng)當(dāng)把電路“豎立起來”，在電路展板上顯化電路圖所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，演示限流結(jié)構(gòu)和分壓結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換，利用數(shù)字電表快速反應(yīng)電路中各元件上的電壓、電流變化規(guī)律，使得理論背后的規(guī)律動態(tài)、活潑起來，直觀可視化，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維和認(rèn)知圖示的形成.