劉良玉

摘 要：實(shí)驗(yàn)既是物理學(xué)的研究手段，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、綜合分析和思維創(chuàng)新能力等物理學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑和方式。本文以改進(jìn)“測定金屬絲電阻率”實(shí)驗(yàn)方案為例，針對教材中原有的實(shí)驗(yàn)方案未能考慮到溫度對電阻率的影響，而造成不同小組測量結(jié)果不盡相同的問題。本文從實(shí)驗(yàn)器材的換位、替換、增減入手，教師通過設(shè)問的方式，引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生分析、解決問題的能力，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的提升。

關(guān)鍵詞：高三物理 實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課 方案改進(jìn) 金屬電阻率測量

1 原實(shí)驗(yàn)方案及其不足之處

對于高三物理的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)，教師常常感覺到耗時(shí)多而效果差，尤其是面對靈活多變的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往感到無從下手。要提高高三物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的教學(xué)效果，需要學(xué)生重做實(shí)驗(yàn)，但又不能簡單機(jī)械地重復(fù)，而是需要在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行有創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)。通過對實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，更能激發(fā)學(xué)生的思維，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力。

教材中原有實(shí)驗(yàn)方案及要求如圖1所示：

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

①

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

測金屬絲RX、螺旋測微器、毫米刻度尺、安培表、伏特表、滑動(dòng)變阻器、直流電源、開關(guān)、導(dǎo)線若干。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）螺旋測微器在被測金屬絲的三個(gè)不同位置各測一次直徑，求出其平均值d;

（2）按照電路圖連接好實(shí)驗(yàn)電路;

（3）用毫米刻度尺測量接入電路中被測金屬絲的有效長度，反復(fù)測量3次，求出其平均值L;

（4）把滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)片調(diào)節(jié)到使接入電路中的阻值最大的位置;

（5）閉合開關(guān)，改變滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)片的位置，讀出幾組相應(yīng)的安培表、伏特表的示數(shù)I和U的值，然后通過歐姆定律求出接入電路中電阻絲的阻值RX;

（6）拆除實(shí)驗(yàn)線路，整理好實(shí)驗(yàn)器材。

1.4 該實(shí)驗(yàn)方案的不足

由于未考慮到待測金屬絲的電阻阻值較小，一旦通過的電流較大，時(shí)間較長時(shí)，就會使電阻絲發(fā)熱，從而導(dǎo)致電阻率變化較大，影響實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。

2 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案

2.1 “換位”測量，“巧改”方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理： ②

設(shè)置問題1：為減小溫度對電阻率的影響，能否在通入的電流不變的情況下，測定金屬絲的電阻率？

（引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理，通過數(shù)學(xué)變形得到實(shí)驗(yàn)原理方程②）

設(shè)置問題2：根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)原理方程②，分析該實(shí)驗(yàn)需要測量哪些物理量？

（引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)待測的物理量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格設(shè)計(jì)）

d=? ? ? ? ? m? ? ? ? ? ?I0=? ? ? ? ? A

L（m） 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

U（v）

設(shè)置問題3：為獲得多組電壓數(shù)據(jù)，如何在原有的實(shí)驗(yàn)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)？

（引導(dǎo)學(xué)生只需將原來接在伏特表的兩條導(dǎo)線改成兩條帶鱷魚夾的導(dǎo)線即可實(shí)現(xiàn)）

設(shè)置問題4：能否根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)的電路圖？

（引導(dǎo)學(xué)生可以通過移動(dòng)原實(shí)驗(yàn)方案電路圖中的一條導(dǎo)線位置就可以得到新實(shí)驗(yàn)方案的電路圖）

設(shè)置問題5：在實(shí)驗(yàn)過程中有哪些注意事項(xiàng)？

（閉合電鍵，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片至適當(dāng)位置后，不再移動(dòng)滑片，以保證安培表的示數(shù)不變，并記下其讀數(shù)I0;然后通過移動(dòng)金屬絲上的一個(gè)鱷魚夾的位置來改變接入伏特表兩端的金屬絲的長度L，分別測出長度L對應(yīng)的伏特表的讀數(shù)U）

設(shè)置問題6：如何利用圖像法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理？能否利用圖線的斜率去求解金屬絲的電阻率？

（引導(dǎo)學(xué)生以電壓U為縱坐標(biāo)，金屬絲的長度L為橫坐標(biāo)，建立平面直角坐標(biāo)系圖像，然后用平滑的曲線把各點(diǎn)數(shù)據(jù)連接起來，得到U-L圖像）

設(shè)置問題7：對比與原來的實(shí)驗(yàn)方案，你覺得此實(shí)驗(yàn)方案有何優(yōu)點(diǎn)？

（引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論，得出結(jié)論：改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案，保證了通過待測金屬絲的電流恒定，減小了溫度變化對電阻率的影響因素。）

通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生真正參與到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中來，激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的欲望和興趣。

2.2 “替代”思想，“簡化”方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理： ③

設(shè)置問題1：為減小溫度對電阻率的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理方程③，能否設(shè)計(jì)這樣的一種電路：可以直接讀出待測金屬絲阻值的電路？

（引導(dǎo)學(xué)生考慮用“等效替代”的思想）

設(shè)置問題2：如何保證“替代”的器材與待測金屬絲在電路中的

“效果”相同且可讀數(shù)？（引導(dǎo)學(xué)生考慮使用與待測金屬絲阻值相同的電阻箱進(jìn)行“替換”）

設(shè)置問題3：如何觀察和檢驗(yàn) “替代”前后電路中的“效果”相同？

（“效果”相同的直觀體現(xiàn)即是“替換”前后電路中的電流

相同）

設(shè)置問題4：能否根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)的電路圖？

（引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的安全性原則，還需在電路中串聯(lián)一個(gè)限流電阻;并且引導(dǎo)學(xué)生可以利用單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行簡化電路的連接）

設(shè)置問題5：新實(shí)驗(yàn)方案需要哪些實(shí)驗(yàn)器材？

（待測金屬絲RX、螺旋測微器、毫米刻度尺、安培表、限流電阻R0、電阻箱R、

單刀雙擲開關(guān)、直流電源、導(dǎo)線若干）

設(shè)置問題6：在實(shí)驗(yàn)過程中有哪些注意事項(xiàng)？

（先將電鍵K打到b，記下此時(shí)安培表的指針偏轉(zhuǎn)位置;然后將電鍵K打到c，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，直到使安培表的指針偏轉(zhuǎn)到與電鍵K打到b時(shí)的位置相同，此時(shí)電阻箱的讀數(shù)即為待測金屬絲RX的阻值）

設(shè)置問題7：對比與原來的實(shí)驗(yàn)方案，你覺得此實(shí)驗(yàn)方案有何優(yōu)點(diǎn)？

（通過增加電阻箱R、單刀雙擲開關(guān)、限流電阻R0等器材，利用替代法改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)了“簡化”實(shí)驗(yàn)測量的目的。）。

2.3 “減少”器材，“創(chuàng)新”方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理：④

設(shè)置問題1：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)出用最少的儀器，最簡單的電路去測定金屬絲的阻值。

（引導(dǎo)學(xué)生思考測量電阻的常用方法，從“伏箱法”入手，進(jìn)一步簡化器材并設(shè)計(jì)方案）

設(shè)置問題2：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理方程④，請?jiān)O(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)的電路圖？

（引導(dǎo)學(xué)生利用串聯(lián)電路的特點(diǎn)，通過間接的方法測出通過待測金屬絲的電流和它兩端的電壓）

設(shè)置問題3：在實(shí)驗(yàn)過程中有哪些注意事項(xiàng)？

（實(shí)驗(yàn)過程中，先將電鍵K打到b，讀出此時(shí)伏特表的讀數(shù)U1;然后將電鍵K打到c，讀出此時(shí)伏特表的讀數(shù)U2）

設(shè)置問題4：新實(shí)驗(yàn)方案對伏特表有何要求？

（伏特表必須是已知表的內(nèi)阻且與RX阻值相近）

設(shè)置問題5：為減少實(shí)驗(yàn)誤差，新實(shí)驗(yàn)方案對電源有何要求？

（為減少電源內(nèi)阻對實(shí)驗(yàn)的影響，應(yīng)該選用恒壓直流電源）

設(shè)置問題6：新實(shí)驗(yàn)方案需要哪些實(shí)驗(yàn)器材？

（待測金屬絲RX、螺旋測微器、毫米刻度尺、伏特表、單刀雙擲開關(guān)、恒壓直流電源、導(dǎo)線若干）

設(shè)置問題7：對比與原來的實(shí)驗(yàn)方案，你覺得此實(shí)驗(yàn)方案有何優(yōu)點(diǎn)？

（改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案，不僅避免了溫度變化對電阻率的影響因素，還最大程度地簡化了實(shí)驗(yàn)器材和電路的連接。）

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和改進(jìn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是最能體現(xiàn)學(xué)生物理綜合素養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[1]本文通過對“測定金屬絲電阻率”實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)，以常規(guī)方案為基礎(chǔ)，從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，以問題為引導(dǎo)，通過三種改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生初步掌握了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方法，提高了學(xué)生的分析和知識運(yùn)用的能力。多種不同的實(shí)驗(yàn)方案不僅體現(xiàn)了電學(xué)實(shí)驗(yàn)的靈活性，也讓學(xué)生深刻地體會到掌握好實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法的重要性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱小勇.《從設(shè)計(jì)方案入手，改進(jìn)高三物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果策略》.

[2] 關(guān)暉，張華道.《對學(xué)生實(shí)驗(yàn)“測定金屬絲電阻率”的變換處理》.

[3] 張生斌.《對“測定金屬絲電阻率”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改進(jìn)》.