盛天霖

隨著課程改革的不斷深入,實驗教學(xué)的重要性逐步得到加強,但總體而言實驗教學(xué)相對薄弱。中學(xué)物理實驗教學(xué)中常見的問題有以下兩類:第一,存在著以講代做、以書面做代替實際做的現(xiàn)象,以教師講解與視頻演示為主的接受性學(xué)習(xí)和應(yīng)對習(xí)題的邏輯演練;第二,實驗教學(xué)表象化,學(xué)生進(jìn)行實驗以模仿為主,沒有實際的探究和分析過程,只進(jìn)行實驗操作的訓(xùn)練而非利用實驗進(jìn)行探究。因此,為了提升實驗教學(xué)的有效性,教師在實驗教學(xué)設(shè)計過程中,要注重實際問題的設(shè)置和必備知識的討論及傳遞,轉(zhuǎn)變?yōu)榻忸}而學(xué)的觀念,讓學(xué)生在任務(wù)中為了解決實際問題而主動地學(xué)習(xí),從而引導(dǎo)有效的探究過程,讓學(xué)生積極參與知識發(fā)生發(fā)展和應(yīng)用的全過程。下面就以電表的改裝為例,從四個方面來設(shè)計實驗教學(xué)。

一、 真實的實驗情境

教師從學(xué)以致用的角度出發(fā),在現(xiàn)實生活中尋找有研究價值、需要一定的知識學(xué)習(xí)、匹配教學(xué)目標(biāo)的實際問題,并將其轉(zhuǎn)化為探究任務(wù)。學(xué)生通過完成這個任務(wù),讓在課程中所學(xué)的知識和掌握的技能,不僅僅只是用于解決課堂中的問題,更能用于解決將來生活和工作中的實際問題。

(一)測量定值電阻的精確值

生活中使用到的各類電器,其電路板中有形態(tài)各異的電阻,其中部分是圓柱形的定值電阻。因此,可以通過測量這類定值電阻的阻值來排查電器故障的原因,而此類電阻阻值一般較大。以此為情境,教師以“測量電器中電阻阻值”為任務(wù),讓學(xué)生自主選擇器材、設(shè)計電路,來測量一個阻值約 1 000 Ω 的定值電阻的精確值。

(二)電表的量程不夠

出于用電安全的考慮,器材僅提供2節(jié)干電池作為電源,常見的3 V/15 V量程的電壓表、0.6 A/3 A 量程的電流表、0.3 mA量程的靈敏電流計、滑動變阻器、電阻箱、開關(guān)、導(dǎo)線若干。

基于以上器材,學(xué)生在設(shè)計電路過程中,很快能夠發(fā)現(xiàn)沒有合適的電流表。為了解決這一問題,教師引導(dǎo)學(xué)生開展小組討論,讓學(xué)生帶著問題和任務(wù)進(jìn)入求知研討的環(huán)節(jié)。

二、 真切的求知研討

在學(xué)習(xí)第一課時的“串聯(lián)電路和并聯(lián)電路”的基礎(chǔ)上,學(xué)生小組討論后,提出可以利用串并聯(lián)電路的特點對靈敏電流計進(jìn)行改裝,擴大其量程。

在進(jìn)行改裝之前,要首先理解被改裝表頭的基本原理和結(jié)構(gòu),這樣才能夠設(shè)計出合理的改裝方案,結(jié)合教材上的示意圖進(jìn)行理解。

圖1拆解后即是實驗中常用的磁電式電流表的結(jié)構(gòu),其依據(jù)的原理是通電線圈在磁場中受安培力而轉(zhuǎn)動。磁電式電流表基本的組成部分是磁體和放在磁體兩極之間的線圈。線圈在磁場中受力的情況如圖2所示。

圖1 磁電式電流表

圖2 通電線圈在安培力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動

當(dāng)線圈中通過電流時,線圈各部分通電導(dǎo)線均受到安培力的作用。由左手定則可以判定,主要因為線圈左右兩邊受到的安培力方向相反,所以安裝在軸上的線圈就有順時針轉(zhuǎn)動的趨勢。線圈轉(zhuǎn)動時,圖1中的螺旋彈簧受力,開始發(fā)生形變,以反抗線圈的轉(zhuǎn)動。

電流越大,安培力越大,螺旋彈簧的形變也就越大,線圈所帶動的指針的偏轉(zhuǎn)角度也越大,達(dá)到新的平衡。所以,從線圈偏轉(zhuǎn)的角度就能判斷通過電流的大小。

從前面的分析可知,安培力總與磁感應(yīng)強度的方向垂直。電流表的兩磁極裝有極靴,極靴中間還有一個用軟鐵制成的圓柱。這樣一來,極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向,如圖3。

圖3 極靴和鐵質(zhì)圓柱使磁場沿半徑方向

無論線圈轉(zhuǎn)到何種平衡位置,其平面都與磁感線平行,線圈左右兩邊所處的磁感應(yīng)強度的大小相等。線圈中的電流方向改變時,安培力的方向隨之改變,指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨之改變。所以,根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向,可以知道被測電流的方向。磁電式電流表的優(yōu)點是靈敏度高,可以測出很弱的電流;缺點是線圈的導(dǎo)線很細(xì),允許通過的電流很弱(幾十微安到幾毫安)。

(一)改裝原理

圖4 電流表改裝等效圖

(二)改后等效

(三)刻度修正

在投入使用之前,表盤上的刻度仍然是原始刻度,在改裝后其表盤刻度讀數(shù)應(yīng)代表新電流表的讀數(shù),因此,需要對刻度進(jìn)行重構(gòu)。在重構(gòu)的過程中有以下兩個問題需要解決:一是滿偏刻度是多少;二是表盤刻度是否是均勻的。

針對第一個問題,當(dāng)靈敏電流計滿偏0.3 mA時,根據(jù)U=Ug=R1I1得I1=2.7 mA,又因I=Ig+I1,故靈敏電流計滿偏時對應(yīng)新電流表的3 mA刻度。

(四)拆解驗證

在完成電表改裝的各項理論推導(dǎo)后,教師讓學(xué)生自行動手拆解每組桌上提供的電流表(如圖5),并根據(jù)實物圖作出電路圖。通過與實際出廠電表的對比,學(xué)生發(fā)現(xiàn)電流表內(nèi)部結(jié)構(gòu)確實是不同的并聯(lián)形式對應(yīng)不同的量程,印證了學(xué)生的改裝方案,從而使學(xué)生獲得了研究正確的成就感,同時又給學(xué)生親手改裝電表留下了期待。

圖5 電流表拆解圖

學(xué)生在面對實際問題時,儲備的知識體系并不完備,所以需要通過預(yù)習(xí)、小組討論、教師講授等方式進(jìn)行補充,但在具體的實驗理論設(shè)計部分,要交給學(xué)生自行設(shè)計。在學(xué)生將串并聯(lián)的具體知識應(yīng)用到實際問題的過程中,既有團(tuán)隊合作討論的思維碰撞,又能夠獨立進(jìn)行定量的計算推演。當(dāng)學(xué)生設(shè)計出初步成果時,教師適時地展示半成品或已驗證的成品,讓學(xué)生能夠有實物的印證,極大地增強了學(xué)生自己動手解決問題的積極性和信心。

三、 真實的問題解決

(一)表頭內(nèi)阻

學(xué)生要進(jìn)行改裝測量,必須要準(zhǔn)確測量表頭電阻Rg,但是由于表頭電阻Rg并不是很大,Ig很小。在實際測量中,因多用電表表內(nèi)電池電壓過高,無法直接測量表頭的阻值,而且本次準(zhǔn)備的電壓表和電流表皆因量程過大而不能用于伏安法的測量。因此,采用半偏法或替代法進(jìn)行測量才是比較可行的選擇。

分壓半偏法:測量原理如圖6所示,為了保護(hù)表頭,在表頭支路串聯(lián)入一只定值電阻R0,當(dāng)被測電流計接在電路中時,電阻箱阻值調(diào)為R=0 Ω。從a開始調(diào)節(jié)滑動變阻器,使表頭滿偏。保持滑動變阻器滑塊不動,電阻箱作為分壓電阻,改變電阻值即改變分壓程度,當(dāng)電流計指針指示到中間值,即電阻箱阻值與待測電流計阻值相等,Rg=R-R0。在多次測量求平均的基礎(chǔ)上,得到了表頭內(nèi)阻Rg,進(jìn)而使學(xué)生能夠根據(jù)理論計算進(jìn)行實際改裝。

圖6 半偏法測量原理圖

(二)誤差校對

由于分壓半偏法在測量表頭內(nèi)阻時存在系統(tǒng)誤差,因而用此值進(jìn)行改裝后的電流表必然會造成誤差,所以在使用電表前需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)。電表的校準(zhǔn)實際上是通過與標(biāo)準(zhǔn)表的比較來判斷改裝是否成功。直接的方法就是用兩者測量同一電壓或電流,觀察兩者的示數(shù)是否相同。為了更好地比較,往往需要進(jìn)行逐格校對,所以需要使用分壓式電路來進(jìn)行控制,校準(zhǔn)電路如圖7所示。

圖7 誤差校對電路圖

用多用電表電流擋作為標(biāo)準(zhǔn)表,有標(biāo)準(zhǔn)表A0進(jìn)行對照后,學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以直接調(diào)整電阻箱R的阻值來影響表頭的示數(shù)。當(dāng)學(xué)生將R調(diào)大后,表頭示數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)表偏離更大,因此學(xué)生在調(diào)整降低R的阻值過程中,能夠?qū)⒏难b電表的示數(shù)校準(zhǔn)到與標(biāo)準(zhǔn)表一致。接著讓學(xué)生以小組形式討論研究這一現(xiàn)象形成的原因。通過分析和討論使學(xué)生能夠更進(jìn)一步地理解表頭本質(zhì)上是一個電阻,但是能夠顯示流過自身的電流大小,所以根據(jù)實驗的需要,我們能夠通過串并聯(lián)的改裝來制作出所需量程的電表。

(三)測量方案

根據(jù)改裝后電流表和電壓表內(nèi)阻參數(shù),為了測量數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣,同時減小測量的系統(tǒng)誤差,選取分壓內(nèi)接法,對待測的定值電阻RX進(jìn)行測量。其中控制電路和測量電路的選取可由教師提供相應(yīng)資料(如圖8),交給學(xué)生小組自行設(shè)計伏安法測電阻的電路圖。

圖8 限流式和分壓式對比圖

學(xué)生在前兩次分壓測量的實驗中,已經(jīng)對分壓電路十分熟悉。在正式進(jìn)行實驗前,仍然要注意提醒學(xué)生分壓接法在實驗開始前滑動變阻器滑塊的位置,并在實驗結(jié)束后斷開開關(guān),讓學(xué)生明確如何保證電路中各儀器的安全。

在真實的實驗過程中,蘊含大量的實際問題。教師在進(jìn)行實驗備課過程中能夠發(fā)現(xiàn)諸多的實際問題,選擇適當(dāng)?shù)膯栴}作為活動契機或教學(xué)內(nèi)容,有利于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成,能夠有效提升學(xué)生的實驗思維能力和創(chuàng)新能力。在內(nèi)阻測量環(huán)節(jié),內(nèi)阻測量的方案眾多,不需要一一為學(xué)生介紹,而是要讓學(xué)生注意被測對象的特點,根據(jù)其特點分析測量方法,避免盲目測量導(dǎo)致的器材損壞。在校準(zhǔn)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),因為電阻箱的存在,讓學(xué)生能夠便捷地修改并聯(lián)電阻,在調(diào)整并聯(lián)電阻過程中,發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)也同步發(fā)生變化,兩者示數(shù)有明顯的相關(guān)性,這便是分析的切入點,也能夠讓學(xué)生對電表本質(zhì)的理解更加深刻。

四、 現(xiàn)實的作用分析

(一)等效思維

學(xué)生在計算改裝后電表內(nèi)阻時,將其總電阻等效為單個電阻的阻值;在校準(zhǔn)環(huán)節(jié),學(xué)生認(rèn)識到表頭可以等效為一個有電流示數(shù)的電阻;在測量環(huán)節(jié),學(xué)生能通過理論分析發(fā)現(xiàn)電阻測量值其實是等效電阻值,即待測電阻與電流表的串聯(lián)值。通過多次的體驗,教師也有意識地讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)和尋找等效,使學(xué)生體會到等效思維能夠簡化問題,理清思路,從而高效地解決實際問題。

(二)電學(xué)實驗及電相關(guān)的操作注意點

通過對分壓電路滑動變阻器初始位置的分析,加強學(xué)生對電路中元件的保護(hù)意識,注重觀察元件的最大電壓和電流,防止損壞。在實驗的具體操作過程中,實驗結(jié)束后開關(guān)一定要斷開,并且在一些測量調(diào)整過程中也需要回避帶電操作。這些操作規(guī)范不僅僅是為了實驗器材的安全和實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確,也使學(xué)生在生活中使用電器時能養(yǎng)成注意安全規(guī)范的習(xí)慣。

(三)多用電表的結(jié)構(gòu)

通過對電流表和電壓表的拆解,驗證了學(xué)生改裝電表的方案,因此如果需要不同量程的電表,只需要調(diào)整串并聯(lián)電阻的阻值即可。教師可將設(shè)計多用電表電壓電流擋的任務(wù)作為課后探究活動,讓學(xué)生從電路圖設(shè)計出發(fā),完成由設(shè)計到改裝的全過程,并對普通實驗電路進(jìn)行嘗試測量。

(四)實際的體驗和探究

學(xué)生在探究過程中,能夠用已有的知識,經(jīng)過討論分析、自主設(shè)計,配合教師簡單的技術(shù)指導(dǎo),完成理論上的推演。在拆解電表的驗證后,學(xué)生可以體驗到探究的樂趣與成功應(yīng)用知識的成就感。學(xué)生是實驗的主體,教師在設(shè)計實驗時既要從學(xué)生已有的知識水平出發(fā),又要有一定難度,讓學(xué)生充分參與整個實驗過程,讓學(xué)生能夠體驗到一定的正向反饋。學(xué)生在正向反饋中,更加愿意深入實驗中去,這樣能夠充分拓展學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力和實踐能力。

實驗結(jié)束后,教師指導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計實驗的過程和體會以科技論文的形式記錄下來,同時為今后的探究實驗活動打下良好的基礎(chǔ),在多次實踐中不斷優(yōu)化探究方法和實驗技巧。