楊明

摘 要：高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常根據(jù)需要對(duì)表頭進(jìn)行改裝以得到電表的各種量程，因此表頭內(nèi)阻的測(cè)量顯得尤為重要。本文闡述了一節(jié)公開(kāi)課的教學(xué)過(guò)程，學(xué)生反饋，以及課后教師反思，提出課堂教學(xué)應(yīng)從學(xué)生認(rèn)知事物的發(fā)展規(guī)律出發(fā)，探討課堂實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方式方法，使學(xué)生逐步走進(jìn)物理、領(lǐng)悟物理魅力。

關(guān)鍵詞：慢悟理；電學(xué)實(shí)驗(yàn)；半偏法；有效教學(xué)

引言

在福建教育學(xué)院主辦的普通高中物理教師高級(jí)研修班活動(dòng)中，筆者上了一節(jié)高二“測(cè)量表頭內(nèi)阻”公開(kāi)課，本文拋磚引玉，淺談對(duì)本節(jié)公開(kāi)課的一些教學(xué)想法與反思。

1 教學(xué)引入

磁電式靈敏電流計(jì)又稱表頭（本文統(tǒng)稱為表頭），是電壓表與電流表的核心部件。表頭指針偏轉(zhuǎn)到最大刻度時(shí)的電流Ig叫滿偏電流，此時(shí)它的電壓Ug叫滿偏電壓，內(nèi)阻Rg，服從歐姆定律Ug=IgRg。表頭的滿偏電壓和滿偏電流通常都很小，無(wú)法直接測(cè)量電路的電壓和電流，需要將其改裝成量程較大的電壓表和電流表。表頭內(nèi)阻通常幾百Ω到幾千Ω不等，因此在改裝電表前，我們需要測(cè)量其電阻。今天我們就來(lái)學(xué)習(xí)如何測(cè)量表頭內(nèi)阻。（規(guī)格：44C2-A型；滿偏電流100μA，內(nèi)阻2000Ω左右，如圖1）

2 教學(xué)過(guò)程

2.1 方案一

師：測(cè)量未知電阻，我們可以用什么方法呢？

生：伏安法。

（教師黑板畫(huà)出如圖2所示兩種電路：伏安法內(nèi)接與外接電路）

師：今天我們想測(cè)量表頭的內(nèi)阻，可以用伏安法嗎？

生：應(yīng)該可以吧，電壓表測(cè)量表頭電壓，表頭測(cè)量自身電流。

（教師黑板按照學(xué)生構(gòu)想畫(huà)出如圖3電路）

師：此電路測(cè)量表頭內(nèi)阻是否可行？請(qǐng)同學(xué)們相互討論。

（部分學(xué)生認(rèn)為可行，部分學(xué)生認(rèn)為電流會(huì)超過(guò)表頭量程）

師：我們估算下，常見(jiàn)學(xué)生電源最小電壓U=2V，若Rg取2000Ω，則電路電流約為1000μA，遠(yuǎn)大于表頭滿偏電流100μA，所以電路要串聯(lián)阻值較大的保護(hù)電阻R1。

學(xué)生課堂活動(dòng)1：教師黑板畫(huà)出如圖4電路，學(xué)生分組測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)中，由于表頭允許通過(guò)電流很小，可調(diào)節(jié)R1使表頭達(dá)到滿偏電流Ig。某小組甲同學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)如下：

UV=0.20V，Rg==2000Ω

同一小組乙同學(xué)認(rèn)為UV應(yīng)讀取為0.19V，則Rg=1900Ω

師：電壓表的示數(shù)太小，讀數(shù)時(shí)的微小偏差對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，不能精確測(cè)量Rg。那么增大電源電壓可以使電壓表的示數(shù)變大嗎？

學(xué)生討論得出結(jié)論：否，電壓表示數(shù)其實(shí)就是表頭的滿偏電壓，無(wú)法增大！

2.2 方案二

師：我們有沒(méi)有什么辦法提高電壓表電壓呢？

生：使電壓表測(cè)量外電路電壓。

學(xué)生課堂活動(dòng)2：教師黑板畫(huà)出如圖5電路，學(xué)生分組測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)R1使表頭達(dá)到滿偏電流Ig。某小組成員丙測(cè)量數(shù)據(jù)：UV=8.50V，R1=84600Ω，Rg=-R1=-84600Ω=400Ω

同一小組成員丁認(rèn)為UV應(yīng)讀取為8.51V，則Rg=500Ω

其他各個(gè)小組測(cè)量的表頭內(nèi)阻結(jié)果相差很大，甚至有出現(xiàn)負(fù)值的情況。

師：我們實(shí)驗(yàn)操作是比較規(guī)范的，但測(cè)量結(jié)果卻大不相同，問(wèn)題出在哪兒？

師：（1）實(shí)驗(yàn)中，盡管電壓表的示數(shù)較大，但電表讀數(shù)在估讀時(shí)的微小偏差依然對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在計(jì)算時(shí)，由于Ig=100μA=0.0001A，無(wú)論UV是大（8.50V）還是小（0.20V），電壓數(shù)值都遠(yuǎn)大于滿偏電流數(shù)值，UV的微小讀數(shù)偏差，對(duì)于測(cè)量結(jié)果都影響很大。因此在本實(shí)驗(yàn)中不宜讀取電壓表示數(shù)，甚至不應(yīng)該用電壓表。

（2）在實(shí)驗(yàn)操作中，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電阻箱R1百位旋鈕在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，表頭指針幾乎不動(dòng)，說(shuō)明即使如表頭這樣高靈敏度的儀表，電路中電流的變化依然不足以使其指針位置變化，這樣在讀取電阻箱R1的阻值時(shí)，誤差較大。

2.3 方案三 電流半偏法

師：請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合串并聯(lián)電路特點(diǎn)，除了增大R1可以改變電流外，還可以用什么方法改變電流？

啟發(fā)學(xué)生：給表頭并聯(lián)一個(gè)阻值相當(dāng)?shù)碾娮鑂2分流。

（教師黑板畫(huà)出如圖6所示電路）

師：既然保護(hù)電阻R1的阻值很大，不適合讀取，那么能否通過(guò)其它電阻如R2來(lái)求表頭內(nèi)阻呢？甚至在特定條件下，能否把R2的阻值看成是Rg？

師：（停頓片刻）步驟一：只閉合S1，調(diào)節(jié)R1，使表頭滿偏；

步驟二：再閉合S2，調(diào)節(jié)R2（R1不變），使表頭半偏；認(rèn)為R2=Rg

請(qǐng)同學(xué)們討論這樣設(shè)計(jì)可行嗎？

生：步驟二電路的總電流發(fā)生變化，并聯(lián)部分兩個(gè)支路電流并不相等，有問(wèn)題呀！

師：能想到這一點(diǎn)，很不錯(cuò)！不過(guò)，保護(hù)電阻R1通常幾萬(wàn)Ω，電路總電阻基本由R1決定，故閉合S2后，電路總電流仍可視為滿偏電流Ig，因此R2與Rg電流都是滿偏電流的一半。

此方法稱為“電流半偏法”，R2與Rg阻值基本相同，R2讀數(shù)的誤差較小，通?？梢栽?%以內(nèi)，在高中階段，屬于連接簡(jiǎn)單、測(cè)量精確的常用方法。

學(xué)生課堂活動(dòng)3：學(xué)生按圖6所示，分組測(cè)量

器材：電源電壓8V，R1：0-99999.9Ω，R2：0-9999.9Ω，電鍵2個(gè)，導(dǎo)線若干。

師：并聯(lián)R2后，電路總電流發(fā)生變化，由此產(chǎn)生測(cè)量系統(tǒng)誤差。下面對(duì)此方案進(jìn)行誤差分析：

3 課堂小結(jié)

師：今天我們這一節(jié)課，一起探究了測(cè)量表頭內(nèi)阻的幾種方案，有些方案看上去可行，但是當(dāng)我們實(shí)際操作時(shí)，遇到一些影響實(shí)驗(yàn)誤差的因素。要善于抓住主要矛盾，忽略次要矛盾（如“電流半偏法”中干路電流的微小變化）。同學(xué)們可繼續(xù)在以后的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中，來(lái)物理實(shí)驗(yàn)室探討其它可行方案。

4 教學(xué)反思

正如林明華老師在其著作《慢悟理》中提到：教師應(yīng)善于在平時(shí)的授課中，穿插進(jìn)行探究能力的培養(yǎng)……從教材到課堂需要教師進(jìn)行二次創(chuàng)造，追求教學(xué)的有效性[ 1 ]。

本節(jié)課所授內(nèi)容雖沒(méi)有納入現(xiàn)行魯科版教材，但高考中時(shí)有出現(xiàn)，針對(duì)我校學(xué)生實(shí)際情況，筆者認(rèn)為學(xué)生通過(guò)“測(cè)量表頭內(nèi)阻”這節(jié)課的理論分析與實(shí)驗(yàn)操作，可以不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，在這種循序漸進(jìn)、體驗(yàn)式的探究過(guò)程中，提高參與物理活動(dòng)的興趣以及實(shí)驗(yàn)觀察、動(dòng)手能力，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、客觀、耐心的科學(xué)態(tài)度，領(lǐng)悟物理之美。這遠(yuǎn)非做幾道題目可比，也符合新課程理念。

考慮到本實(shí)驗(yàn)的精度問(wèn)題，在以上幾種實(shí)驗(yàn)方案中，（1）沒(méi)有考慮電源內(nèi)阻。一方面是由于電源內(nèi)阻遠(yuǎn)小于保護(hù)電阻R1；另一方面實(shí)驗(yàn)中可選擇學(xué)生穩(wěn)壓電源，可保證電源兩端電壓不變。電源符號(hào)仍用U表示。（2）沒(méi)有考慮電阻箱、表頭的系統(tǒng)誤差（實(shí)驗(yàn)室常用的電阻箱0.2級(jí)，誤差0.2%；表頭1.5級(jí)，誤差1.5%）。

參考文獻(xiàn)：

[1]林明華.慢悟理[M].福州：福建教育出版社，2016：53-54.