劉良玉

摘 要：實驗既是物理學(xué)的研究手段，也是培養(yǎng)學(xué)生動手、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“測定金屬絲電阻率”實驗方案為例，針對教材中原有的實驗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。本文從實驗器材的換位、替換、增減入手，教師通過設(shè)問的方式，引導(dǎo)學(xué)生參與實驗方案的設(shè)計和改進，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，促進了實驗教學(xué)效率的提升。

關(guān)鍵詞：高三物理 實驗復(fù)習(xí)課 方案改進 金屬電阻率測量

1 原實驗方案及其不足之處

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

教材中原有實驗方案及要求如圖1所示：

1.1 實驗原理

①

1.2 實驗器材

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

1.3 實驗步驟

（1）螺旋測微器在被測金屬絲的三個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驗電路;

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

（5）閉合開關(guān)，改變滑動變阻器滑動片的位置，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）拆除實驗線路，整理好實驗器材。

1.4 該實驗方案的不足

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，時間較長時，就會使電阻絲發(fā)熱，從而導(dǎo)致電阻率變化較大，影響實驗的測量結(jié)果。

2 改進的實驗方案

2.1 “換位”測量，“巧改”方案

根據(jù)實驗原理： 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)生分析實驗原理，通過數(shù)學(xué)變形得到實驗原理方程②）

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

（引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)待測的物理量進行實驗數(shù)據(jù)的表格設(shè)計）

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)，如何在原有的實驗方案基礎(chǔ)上進行實驗器材的改進？

（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)線即可實現(xiàn)）

設(shè)置問題4：能否根據(jù)上面的實驗原理設(shè)計出實驗的電路圖？

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

設(shè)置問題5：在實驗過程中有哪些注意事項？

（閉合電鍵，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片至適當(dāng)位置后，不再移動滑片，以保證安培表的示數(shù)不變，并記下其讀數(shù)I0;然后通過移動金屬絲上的一個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：如何利用圖像法進行實驗數(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：對比與原來的實驗方案，你覺得此實驗方案有何優(yōu)點？

（引導(dǎo)學(xué)生進行小組討論，得出結(jié)論：改進后的實驗方案，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。）

通過改進實驗方案，讓學(xué)生真正參與到實驗設(shè)計中來，激發(fā)學(xué)生動手實驗的欲望和興趣。

2.2 “替代”思想，“簡化”方案

根據(jù)實驗原理： ③

設(shè)置問題1：為減小溫度對電阻率的影響，根據(jù)實驗原理方程③，能否設(shè)計這樣的一種電路：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行“替換”）

設(shè)置問題3：如何觀察和檢驗 “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)上面的實驗原理設(shè)計出實驗的電路圖？

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

設(shè)置問題5：新實驗方案需要哪些實驗器材？

（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：在實驗過程中有哪些注意事項？

（先將電鍵K打到b，記下此時安培表的指針偏轉(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時的位置相同，此時電阻箱的讀數(shù)即為待測金屬絲RX的阻值）

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

（通過增加電阻箱R、單刀雙擲開關(guān)、限流電阻R0等器材，利用替代法改進后的實驗方案，實現(xiàn)了“簡化”實驗測量的目的。）。

2.3 “減少”器材，“創(chuàng)新”方案

根據(jù)實驗原理：④

設(shè)置問題1：根據(jù)實驗原理，設(shè)計出用最少的儀器，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，進一步簡化器材并設(shè)計方案）

設(shè)置問題2：根據(jù)實驗原理方程④，請設(shè)計出實驗的電路圖？

（引導(dǎo)學(xué)生利用串聯(lián)電路的特點，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：在實驗過程中有哪些注意事項？

（實驗過程中，先將電鍵K打到b，讀出此時伏特表的讀數(shù)U1;然后將電鍵K打到c，讀出此時伏特表的讀數(shù)U2）

設(shè)置問題4：新實驗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：為減少實驗誤差，新實驗方案對電源有何要求？

（為減少電源內(nèi)阻對實驗的影響，應(yīng)該選用恒壓直流電源）

設(shè)置問題6：新實驗方案需要哪些實驗器材？

（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：對比與原來的實驗方案，你覺得此實驗方案有何優(yōu)點？

（改進后的實驗方案，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驗器材和電路的連接。）

3 結(jié)語

實驗方案的設(shè)計和改進是實驗教學(xué)的重點和難點，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”實驗方案的改進，以常規(guī)方案為基礎(chǔ)，從實驗原理出發(fā)，以問題為引導(dǎo)，通過三種改進的實驗方案，讓學(xué)生初步掌握了實驗改進的方法，提高了學(xué)生的分析和知識運用的能力。多種不同的實驗方案不僅體現(xiàn)了電學(xué)實驗的靈活性，也讓學(xué)生深刻地體會到掌握好實驗的基本原理和方法的重要性。

參考文獻：

[1] 朱小勇.《從設(shè)計方案入手，改進高三物理實驗教學(xué)效果策略》.

[2] 關(guān)暉，張華道.《對學(xué)生實驗“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”實驗的教學(xué)改進》.