陳立其
(江蘇省南京市金陵中學,江蘇 南京 210005)
高中電學實驗一直是學生學習中非常突出的難點問題之一.在教學過程中,教師覺得電學實驗難教,學生反映電學實驗難學,特別是從高中電學實驗的考查結(jié)果看,學生的錯誤是五花八門,而且是經(jīng)常性反復(fù)地犯同一類型錯誤,教師反復(fù)講解和學生重復(fù)訓練,效果甚微.本文意在通過學生常見錯誤現(xiàn)象分析,找到形成教學難點的根本原因,通過課堂教學實例來示范解決.
人教版高中教材選修3-1“恒定電流”一章中電學實驗共有4個.它們分別是(1) 導(dǎo)體電阻率的測量;(2) 描繪小燈泡伏安特性曲線;(3) 電池電動勢和內(nèi)電阻的測量;(4) 練習使用多用電表.
通常情況是,學生在單個實驗學習時,靠記憶和訓練還能大致掌握每個實驗的要點,一旦對電學實驗進行綜合性考查,學生便不知所措、漏洞百出.仔細分析學生困難,大致表現(xiàn)為(1) 器材和量程選擇難;(2) 電路連接的選擇難;(3) 器材使用和讀數(shù)難;(4) 實驗誤差的分析難;(5) 實驗原理的理解難.
通過進一步分析發(fā)現(xiàn),學生各種錯誤表象,可以概括歸納為兩個方面,一是對實驗原理理解不透徹,這里說的“原理”也包含實驗器材的工作原理、電路連接的知識以及實驗誤差分析的理論等;二是實驗操作練習太少.很多學生在做分組實驗時,照著實驗步驟走一下流程,不去思考和討論支撐實驗的理論知識,等到面對實驗問題考查時,又沒有實驗條件動手,出現(xiàn)了“做時沒去思考,思考時沒法做”的現(xiàn)象.實驗操作和實驗原理兩張皮問題是電學實驗難點形成的主要原因.筆者根據(jù)以上分析,在教學中精心設(shè)計,讓學生能夠在實驗動手操作過程中有體會、有疑問、有發(fā)現(xiàn)、有收獲,在實驗中理解原理.同時也讓學生在實驗原理的指導(dǎo)下設(shè)計實驗,依據(jù)自己的設(shè)計進行實驗操作,讓原理指導(dǎo)實驗.筆者通過自己的兩節(jié)課堂實際教學操作來詮釋“掌握原理”和“動手實驗”的相互促進關(guān)系的有效策略.
“原”在這里有“追源”、“溯源”之意,重在通過實驗理解原理.實驗是手段,也是目的;原理是依據(jù),也是結(jié)論.動手實驗,既要提高實驗操作能力,還要通過實驗發(fā)現(xiàn)問題,運用學習的知識分析解決實驗問題,進而發(fā)現(xiàn)和理解實驗原理.
教學實例1:伏安法測電阻.
(1) 器材準備.
提供器材有: 電壓表V(0-3-15 V),電流表A1(0-0.6-3 A),電流表A2(0-20 mA),電流表A3(0-300 μA),1.5 V干電池,導(dǎo)線,開關(guān),每組3個色環(huán)電阻(阻值沒有給學生):R1=20 kΩ,R2=0.2 Ω,R3=1000 Ω.
(2) 實驗要求.
① 學生兩人一組,每組學生利用提供的色環(huán)電阻讀數(shù)規(guī)則,讀出手頭幾個色環(huán)電阻的電阻值;② 利用手頭實驗器材來測量這幾個電阻的阻值.
學生利用色環(huán)讀數(shù)規(guī)則,很快得到3個電阻分別是20 kΩ,0.2 Ω,1000 Ω.
(3) 實驗原理和實驗方案.
實驗原理是歐姆定律.根據(jù)提供的器材和學生的實驗經(jīng)驗,大家都選擇了伏安法測電阻.
(4) 器材選擇.
電壓表只有1只,量程分別是3 V和15 V,電流表的選擇要學生自己完成.
師:我們選擇電表時,應(yīng)該注意什么問題呢?
生:為了減少讀數(shù)誤差,讀數(shù)不能太小,也不能超過量程.
師:我們測量3個不同電阻需要選擇哪個電流表?
生:用歐姆定律計算電阻在3 V和15 V電壓下的電流,就可以選擇電流表了.
給學生討論時間,小組回答選擇結(jié)果.
① 待測電阻R1=20 kΩ.
所以測量R1時,電壓表選擇3 V量程,電流表選擇A3,300 μA量程的.
② 待測電阻R2=0.2 Ω.
超過了電流表的最大量程3 A.
所以測量R2時,電壓表選擇3 V量程,電流表選擇A1,0.6 A擋.
(電壓表只能選3 V擋位,因為受到電流最大值的限制,電源只用1節(jié)干電池)
③ 待測電阻R3=1000 Ω.
所以測量R3時,電壓表選擇15 V量程,電流表選擇A2,20 mA擋.
點評:在實驗中,因為實驗需要,學生通過物理知識解決了器材和量程選擇的難點問題,既增強了實驗?zāi)芰?,又加深了對原理的理?
(5) 電路選擇.
圖1
因為在學習本節(jié)課時,學生還沒有學習過內(nèi)接法和外接法的誤差分析等知識,所以,有的學生用了內(nèi)接法,有的學生使用了外接法(如圖1所示).
(6) 學生實驗.
學生動手做實驗,待學生完成數(shù)據(jù)記錄和計算后,教師請學生把數(shù)據(jù)填到表格中(見表1).
表1
(7) 分析誤差規(guī)律.
師:凡是測量,都有誤差.請大家分析誤差有規(guī)律嗎?
生:安培表內(nèi)接時,測量值偏大;安培表外接時,測量值偏小.
師:我們平時把伏安法測量產(chǎn)生的誤差簡單歸納為“大內(nèi)小外”.
師:誤差不可避免,我們是否可以減小誤差呢?
生:我們發(fā)現(xiàn)測量大電阻R1=20 kΩ用外接法誤差大,測量小電阻R2=0.2 Ω用內(nèi)接法誤差大.是不是大電阻用內(nèi)接法,小電阻用外接法誤差小?
師:是啊.這也是“大內(nèi)小外”的另一種理解.我們是不是可以這樣說,安培表內(nèi)接法測量值偏大,適合測量大電阻;安培表外接法測量值偏小,適合測量小電阻.
點評:伏安法測電阻實驗誤差的規(guī)律是學生從實驗中自己發(fā)現(xiàn)的,更容易激發(fā)學生探究理論依據(jù)的學習動力.
(8) 分析誤差來源.
師:我們通過實驗數(shù)據(jù)分析,得到了“大內(nèi)小外”實驗誤差的結(jié)果.大家思考一下,為什么會有這樣“大內(nèi)小外”的誤差呢?
生:安培表內(nèi)接法.
所以,安培表內(nèi)接法測量值偏大.又因為,安培表內(nèi)阻比較小,所以測量大電阻時,串聯(lián)的安排表內(nèi)阻引起的相對誤差就小.
生:安培表外接法.
所以,安培表外接法測量值偏小.同樣,因為伏特表內(nèi)阻比較大,當測量小電阻時,并聯(lián)的伏特表內(nèi)阻引起的誤差就比較小.
點評:學生在實驗中發(fā)現(xiàn)了誤差規(guī)律,利用物理知識自主討論,論證了實驗誤差產(chǎn)生的物理學的原理,實現(xiàn)了“驗”實驗之“理”.學生通過實驗操作,理解原理,有效地解決了儀器選擇、電路選擇和誤差分析的難點問題.
教師在黑板上講實驗,學生在紙上做實驗,都是重視實驗原理之“理”.這種做法忽視了實驗原理之“實”.實驗原理必須通過實驗發(fā)現(xiàn)和實驗驗證,才能更好地被理解和掌握.第2個課堂實例重點關(guān)注運用實驗原理來指導(dǎo)實驗操作的策略.
教學實例2:測量微安表的內(nèi)阻.
(1) 實驗整體安排.
本實驗是在課本上4個電學實驗都完成的前提下安排的電學復(fù)習課.教師先提前一周布置任務(wù).
① 實驗任務(wù):測量1只微安表的內(nèi)阻,微安表量程200 μA,內(nèi)阻幾千歐.
② 提供器材(每種器材數(shù)量不限):待測微安表,電阻箱(0-99999 Ω),多用電表型號modelM78,電壓表(0-3 V-15 V),靈敏電流計(300 μA),學生電源(3 V,4 A),干電池,開關(guān),導(dǎo)線.
③ 實驗要求:每4人一組,每組提出不少于3種測量方案,列出需要器材清單,畫出電路圖,寫出實驗步驟,繪制數(shù)據(jù)記錄表格.一周后到實驗室做實驗.
(2) 實驗操作.
收集到相對集中的實驗方案有:① 歐姆表法;② 伏安表法; ③ 電橋法;④ 替代法;⑤ 半偏法.由于時間關(guān)系,本節(jié)課要求學生完成前3個實驗方案,并對3種方案進行比較討論.如果小組時間充裕,可以嘗試其他方案.
(3) 實驗交流.
師:大家都嘗試了3個測量方案,你們遇到了哪些問題?是如何解決的?對實驗方案有什么新的體會?都可以說說看.
① 歐姆表法.
生A:我們小組用歐姆表測量,用×10擋時讀數(shù)在 300~400之間;用×1 k擋時,讀數(shù)在2~3之間,乘上倍率,電阻值在2 k到4 k之間,誤差太大.
師:有小組解決這個問題了嗎?
圖2
生B:因為這個歐姆表沒有×100擋(如圖2所示),我們也是用×1 k擋測量.我們先給微安表串聯(lián)上一個電阻箱,調(diào)節(jié)電阻箱,使歐姆表指針在中值附近,再用測量值減去電阻箱數(shù)值,得到微安表內(nèi)阻為3100 Ω.
生C:我們也是這樣做的.為什么阻值只有2800 Ω呢?
師:大家還有哪些數(shù)值呢?
學生不同組的測量值相差較大,最小值是2600 Ω,最大值是3200 Ω.
師:請大家對歐姆表法測量電阻做個評價.
生C:測量誤差較大,只能用來粗測電阻值.
點評: 換擋調(diào)零,讀數(shù)時指針盡量在表頭中間,讀數(shù)乘上倍率才是測量值,我們平時經(jīng)常強調(diào)的這些實驗操作要點,學生們在實驗中都遇到了,理解自然更深刻.
圖3
② 伏安法.
生E:因為我們學習過安培表測量電阻的“大內(nèi)小外”的誤差結(jié)論,考慮歐姆表粗測到微安表內(nèi)阻在3000 Ω左右,屬于大電阻,所以我們用如圖3所示的安培表內(nèi)接法,因為教師沒有提供安培表,我們就用靈敏電流計代替了安培表.但是,當我們測量出電阻值是5800 Ω時,我們覺得這里使用內(nèi)接法有問題.
師:你們討論過為什么會這樣?
生E:我們討論發(fā)現(xiàn),這里靈敏電流計內(nèi)阻應(yīng)該也很大,待測電阻和靈敏電流計電阻相比不是大電阻,不符合“大內(nèi)小外”的結(jié)論;如果用外接法也不好,因為待測電阻在這里肯定不是小電阻.我們也用安培表外接法測量了,測量值為2400 Ω,誤差太大了.
師:還有同學解決這個問題了嗎?
生F:我們組開始也遇到了類似的問題.我們后來是用另外一只相同的微安表代替了靈敏電流計,測量出的阻值除以2就是微安表的內(nèi)阻,測量值得到2900 Ω.
生A:我們后來討論發(fā)現(xiàn),就用一只電壓表和一只微安表就可以了,待測微安表就能測出電流.這樣,我們測量的電阻是2900 Ω.
師:大家對伏安法測量方案有什么看法?
生E:“大內(nèi)小外”的實驗結(jié)論不能死記硬背,待測電阻的大小是相對于電壓表內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻而言的.如果待測電阻和提供的電表不符合簡單套用“大內(nèi)小外”的結(jié)論時,我們需要運用學過的電路知識,巧妙靈活地使用伏安法.
生F: 我補充一點,伏安法測電阻有系統(tǒng)誤差,但是它的誤差確實比歐姆表法小得多.
③ 電橋法.
師:這種測量方法我們在習題中學習過.我們先請一組同學介紹一下實驗原理.
圖4
生G:如圖4電路,當電阻R1∶R2=Rx∶R3時,靈敏電流計中的電流為0.這種方法沒有系統(tǒng)誤差,原理也好理解.
生G:我們動手連接電路時,發(fā)現(xiàn)電路連接很復(fù)雜,我們4個人用了十幾min,電路都沒有連接好.實驗沒有做.
生H:原理圖看著簡單,實物電路連接比較困難.我們4個人討論,還請教了老師,后來成功了.我們用3個電阻箱分別當做R1、R2和R3.計算出電阻值為3100 Ω.我們還改變幾次電阻箱的電阻,得到的結(jié)果幾乎一致.
生I:我們也花了好長時間才連接好電路.我們小組要補充兩點:一個是靈敏電流計支路上最好要加一個開關(guān),保護電流計,同時注意指針不要過偏;第二個是要注意,微安表指針也很容易過偏.所以大家調(diào)整電阻箱后要合上開關(guān)前,一定要用試觸法看看兩個表不要超過量程.
師:看來真是“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”??!
點評:這個實驗對學生動手能力考查最充分.通過這個實驗方案,學生更加充分認識到動手做實驗的重要性.
④ 實驗方案比較.
師:由于課堂時間限制,我們主要動手操作了3種測量方案,還有同學提出的其他測量方法,今天來不及實踐了.大家就這3種方案,說說它們的特點.
生C:歐姆表測電阻,操作簡單,偶然誤差大,適用于對測量精度要求不高情況的測量.
生H:伏安法測電阻,有系統(tǒng)誤差,只要我們電路使用合理,測量誤差比較小.
生A:電橋法測電阻,無系統(tǒng)誤差,測量精度高,適合對電阻測量要求比較高的情況下使用,這種方法電路連接復(fù)雜.
點評:測量微安表內(nèi)阻的實驗課,學生是在理論指導(dǎo)下進行實踐,學生收獲更多的是在實踐中檢驗原理和理解原理,理解動手實驗對于掌握原理的重要性.
在進行“恒定電流”章節(jié)教學時,教師要有實驗意識,重視電學知識的實驗來源.例如在歐姆定律、電阻定律和焦耳定律的教學時,要多做實驗,讓學生體會物理知識是來源于實驗,同時讓學生在課堂學習中也和教師一起經(jīng)歷實驗過程,讓概念和規(guī)律教學課能夠達到“原”實驗之“理”的效果.在實驗教學時,教師更要引導(dǎo)學生理解實驗原理,理解儀表工作原理,掌握實驗誤差的理論分析等.在實驗原理的指導(dǎo)下做實驗,帶著問題做實驗,在實驗中去驗證原理,在實驗中去理解和掌握原理,真正做到“驗”原理之“實”.教師要把實驗教學和物理概念、規(guī)律教學有機融通,才能有效突破實驗教學的難點問題.
當然,“原”實驗之“理”和“驗”原理之“實”也充分體現(xiàn)了辯證唯物主義認識論思想.我們學生的學習過程,也應(yīng)該像科學家們科研活動一樣,要符合認識的規(guī)律,要在科學理論的指導(dǎo)下進行實踐活動,提高實踐活動有效性,還要在實踐中發(fā)現(xiàn)問題,檢驗和理解科學理論,全面實現(xiàn)個人科學素養(yǎng)的提升.