利用鉛筆芯自制教具探究影響導(dǎo)體電阻的因素

倪 榮 朱 念

(貴州省六盤水市第七中學(xué),貴州 六盤水 553000)

1 問(wèn)題背景

在參加市優(yōu)質(zhì)課評(píng)比活動(dòng)中,筆者選擇人教版高中物理必修第三冊(cè)第十一章第2節(jié)“導(dǎo)體的電阻”作為參賽課題。[1]《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》的內(nèi)容要求為：通過(guò)實(shí)驗(yàn),探究并了解金屬導(dǎo)體的電阻與材料、長(zhǎng)度和橫截面積的定量關(guān)系。通過(guò)I-U圖像了解材料的電阻特性。[2]《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)解讀》的說(shuō)明為：要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了解金屬導(dǎo)體的電阻與材料、長(zhǎng)度和橫截面之間的定量關(guān)系,理解電阻定律及其表達(dá)式,在實(shí)驗(yàn)探究中經(jīng)歷問(wèn)題、證據(jù)、解釋與交流等科學(xué)探究的過(guò)程,體驗(yàn)用圖像法處理數(shù)據(jù)的科學(xué)方法,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)探究能力的提升。[3]通過(guò)研讀教材、做教材所提供的參考實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在接通電源后鎳鉻絲發(fā)熱對(duì)電阻影響較大,同時(shí)在探究面積因素時(shí)發(fā)現(xiàn)電表指針偏轉(zhuǎn)角度較小,這樣就使實(shí)驗(yàn)誤差較大,國(guó)家基礎(chǔ)教育資源服務(wù)平臺(tái)精品課“導(dǎo)體的電阻”課例中實(shí)驗(yàn)誤差也較大。鑒于此,筆者力求找到相對(duì)鎳鉻絲發(fā)熱對(duì)電阻影響小且電阻較大的導(dǎo)體,參考大量文獻(xiàn)后最終確定利用2B鉛筆芯來(lái)完成本節(jié)實(shí)驗(yàn)探究。[4-8]

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)器材為： 2B鉛筆、HB鉛筆、電池、開關(guān)、直流電壓表、導(dǎo)線等。

利用萬(wàn)用表選擇28支電阻相同的2B鉛筆,并將選擇好的2B和HB鉛筆削成長(zhǎng)度和兩端形狀一致(圖1)。

圖1

2.2 探究導(dǎo)體電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系

2.2.1 器材組裝

將削好的6支2B鉛筆、1支HB鉛筆、電池、開關(guān)等按圖2連接,其中HB鉛筆作為保護(hù)電阻,還可以探究導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系。

圖2

2.2.2 采集數(shù)據(jù)

圖2中每支鉛筆的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0,利用電壓表依次測(cè)量出1支鉛筆、2支鉛筆、3支鉛筆……6支鉛筆兩端電壓(表 1)。

表1

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

圖3

2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從圖3中可得出結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi),橫截面積相同的同種材料導(dǎo)體的電阻R與長(zhǎng)度L成正比。在實(shí)驗(yàn)中還測(cè)得HB鉛筆兩端電壓為0.57 V,與1支2B鉛筆兩端電壓不同,表明導(dǎo)體的電阻與材料有關(guān)。

2.3 探究導(dǎo)體的電阻與橫截面積的關(guān)系

2.3.1 器材組裝

將21支2B鉛筆、電池、開關(guān)、直流電壓表按圖4組裝,并按圖5連接電路。

圖4

圖5

2.3.2 采集數(shù)據(jù)

每支鉛筆芯的橫截面積為S0,用電壓表依次測(cè)出一支鉛筆、2支鉛筆并聯(lián)、3支鉛筆并聯(lián)……6支鉛筆并聯(lián)的兩端電壓,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)(表2)。

表2

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

圖6

2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從圖6中可得出結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi),相同長(zhǎng)度的同種材料導(dǎo)體的電阻R與橫截面積S的倒數(shù)成正比。

綜上所述,我們完成了影響導(dǎo)體因素的定量探究,并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論：對(duì)于同種材料的導(dǎo)體,其電阻R與它的長(zhǎng)度L成正比,與它的橫截面積S成反比,導(dǎo)體的電阻還與構(gòu)成它的材料有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

在本節(jié)課的教學(xué)中學(xué)生按照上述方案,通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)、繪制圖像,定量探究了影響導(dǎo)體電阻的因素。本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于可以讓長(zhǎng)度及橫截面積可視化,增加實(shí)驗(yàn)的可信度。實(shí)驗(yàn)所用鉛筆電阻較大,不需要滑動(dòng)變阻器,降低了連線的難度。在實(shí)驗(yàn)時(shí)電流小、發(fā)熱少,可認(rèn)為鉛筆芯的電阻不變,減小了電阻變化引起的誤差,相比教材中的實(shí)驗(yàn),誤差較小,具有較強(qiáng)的說(shuō)服力。