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摘 要:高中电学实验中,经常根据需要对表头进行改装以得到电表的各种量程,因此表头内阻的测量显得尤为重要。本文阐述了一节公开课的教学过程,学生反馈,以及课后教师反思,提出课堂教学应从学生认知事物的发展规律出发,探讨课堂实验的实施方式方法,使学生逐步走进物理、领悟物理魅力。
关键词:慢悟理;电学实验;半偏法;有效教学
引言
在福建教育学院主办的普通高中物理教师高级研修班活动中,笔者上了一节高二“测量表头内阻”公开课,本文抛砖引玉,浅谈对本节公开课的一些教学想法与反思。
1 教学引入
磁电式灵敏电流计又称表头(本文统称为表头),是电压表与电流表的核心部件。表头指针偏转到最大刻度时的电流Ig叫满偏电流,此时它的电压Ug叫满偏电压,内阻Rg,服从欧姆定律Ug=IgRg。表头的满偏电压和满偏电流通常都很小,无法直接测量电路的电压和电流,需要将其改装成量程较大的电压表和电流表。表头内阻通常几百Ω到几千Ω不等,因此在改装电表前,我们需要测量其电阻。今天我们就来学习如何测量表头内阻。(规格:44C2-A型;满偏电流100μA,内阻2000Ω左右,如图1)
2 教学过程
2.1 方案一
师:测量未知电阻,我们可以用什么方法呢?
生:伏安法。
(教师黑板画出如图2所示两种电路:伏安法内接与外接电路)
师:今天我们想测量表头的内阻,可以用伏安法吗?
生:应该可以吧,电压表测量表头电压,表头测量自身电流。
(教师黑板按照学生构想画出如图3电路)
师:此电路测量表头内阻是否可行?请同学们相互讨论。
(部分学生认为可行,部分学生认为电流会超过表头量程)
师:我们估算下,常见学生电源最小电压U=2V,若Rg取2000Ω,则电路电流约为1000μA,远大于表头满偏电流100μA,所以电路要串联阻值较大的保护电阻R1。
学生课堂活动1:教师黑板画出如图4电路,学生分组测量。
实验中,由于表头允许通过电流很小,可调节R1使表头达到满偏电流Ig。某小组甲同学测量数据如下:
UV=0.20V,Rg==2000Ω
同一小组乙同学认为UV应读取为0.19V,则Rg=1900Ω
师:电压表的示数太小,读数时的微小偏差对结果产生较大影响,不能精确测量Rg。那么增大电源电压可以使电压表的示数变大吗?
学生讨论得出结论:否,电压表示数其实就是表头的满偏电压,无法增大!
2.2 方案二
师:我们有没有什么办法提高电压表电压呢?
生:使电压表测量外电路电压。
学生课堂活动2:教师黑板画出如图5电路,学生分组测量。
实验中,调节R1使表头达到满偏电流Ig。某小组成员丙测量数据:UV=8.50V,R1=84600Ω,Rg=-R1=-84600Ω=400Ω
同一小组成员丁认为UV应读取为8.51V,则Rg=500Ω
其他各个小组测量的表头内阻结果相差很大,甚至有出现负值的情况。
师:我们实验操作是比较规范的,但测量结果却大不相同,问题出在哪儿?
师:(1)实验中,尽管电压表的示数较大,但电表读数在估读时的微小偏差依然对结果产生较大影响。在计算时,由于Ig=100μA=0.0001A,无论UV是大(8.50V)还是小(0.20V),电压数值都远大于满偏电流数值,UV的微小读数偏差,对于测量结果都影响很大。因此在本实验中不宜读取电压表示数,甚至不应该用电压表。
(2)在实验操作中,我们可以发现,当旋转电阻箱R1百位旋钮在一定范围内变化时,表头指针几乎不动,说明即使如表头这样高灵敏度的仪表,电路中电流的变化依然不足以使其指针位置变化,这样在读取电阻箱R1的阻值时,误差较大。
2.3 方案三 电流半偏法
师:请同学们结合串并联电路特点,除了增大R1可以改变电流外,还可以用什么方法改变电流?
启发学生:给表头并联一个阻值相当的电阻R2分流。
(教师黑板画出如图6所示电路)
师:既然保护电阻R1的阻值很大,不适合读取,那么能否通过其它电阻如R2来求表头内阻呢?甚至在特定条件下,能否把R2的阻值看成是Rg?
师:(停顿片刻)步骤一:只闭合S1,调节R1,使表头满偏;
步骤二:再闭合S2,调节R2(R1不变),使表头半偏;认为R2=Rg
请同学们讨论这样设计可行吗?
生:步骤二电路的总电流发生变化,并联部分两个支路电流并不相等,有问题呀!
师:能想到这一点,很不错!不过,保护电阻R1通常几万Ω,电路总电阻基本由R1决定,故闭合S2后,电路总电流仍可视为满偏电流Ig,因此R2与Rg电流都是满偏电流的一半。
此方法称为“电流半偏法”,R2与Rg阻值基本相同,R2读数的误差较小,通常可以在5%以内,在高中阶段,属于连接简单、测量精确的常用方法。
学生课堂活动3:学生按图6所示,分組测量
器材:电源电压8V,R1:0-99999.9Ω,R2:0-9999.9Ω,电键2个,导线若干。
师:并联R2后,电路总电流发生变化,由此产生测量系统误差。下面对此方案进行误差分析:
3 课堂小结
师:今天我们这一节课,一起探究了测量表头内阻的几种方案,有些方案看上去可行,但是当我们实际操作时,遇到一些影响实验误差的因素。要善于抓住主要矛盾,忽略次要矛盾(如“电流半偏法”中干路电流的微小变化)。同学们可继续在以后的研究性学习活动中,来物理实验室探讨其它可行方案。
4 教学反思
正如林明华老师在其著作《慢悟理》中提到:教师应善于在平时的授课中,穿插进行探究能力的培养……从教材到课堂需要教师进行二次创造,追求教学的有效性[ 1 ]。
本节课所授内容虽没有纳入现行鲁科版教材,但高考中时有出现,针对我校学生实际情况,笔者认为学生通过“测量表头内阻”这节课的理论分析与实验操作,可以不断发现问题、解决问题,在这种循序渐进、体验式的探究过程中,提高参与物理活动的兴趣以及实验观察、动手能力,养成严谨、细致、客观、耐心的科学态度,领悟物理之美。这远非做几道题目可比,也符合新课程理念。
考虑到本实验的精度问题,在以上几种实验方案中,(1)没有考虑电源内阻。一方面是由于电源内阻远小于保护电阻R1;另一方面实验中可选择学生稳压电源,可保证电源两端电压不变。电源符号仍用U表示。(2)没有考虑电阻箱、表头的系统误差(实验室常用的电阻箱0.2级,误差0.2%;表头1.5级,误差1.5%)。
参考文献:
[1]林明华.慢悟理[M].福州:福建教育出版社,2016:53-54.
关键词:慢悟理;电学实验;半偏法;有效教学
引言
在福建教育学院主办的普通高中物理教师高级研修班活动中,笔者上了一节高二“测量表头内阻”公开课,本文抛砖引玉,浅谈对本节公开课的一些教学想法与反思。
1 教学引入
磁电式灵敏电流计又称表头(本文统称为表头),是电压表与电流表的核心部件。表头指针偏转到最大刻度时的电流Ig叫满偏电流,此时它的电压Ug叫满偏电压,内阻Rg,服从欧姆定律Ug=IgRg。表头的满偏电压和满偏电流通常都很小,无法直接测量电路的电压和电流,需要将其改装成量程较大的电压表和电流表。表头内阻通常几百Ω到几千Ω不等,因此在改装电表前,我们需要测量其电阻。今天我们就来学习如何测量表头内阻。(规格:44C2-A型;满偏电流100μA,内阻2000Ω左右,如图1)
2 教学过程
2.1 方案一
师:测量未知电阻,我们可以用什么方法呢?
生:伏安法。
(教师黑板画出如图2所示两种电路:伏安法内接与外接电路)
师:今天我们想测量表头的内阻,可以用伏安法吗?
生:应该可以吧,电压表测量表头电压,表头测量自身电流。
(教师黑板按照学生构想画出如图3电路)
师:此电路测量表头内阻是否可行?请同学们相互讨论。
(部分学生认为可行,部分学生认为电流会超过表头量程)
师:我们估算下,常见学生电源最小电压U=2V,若Rg取2000Ω,则电路电流约为1000μA,远大于表头满偏电流100μA,所以电路要串联阻值较大的保护电阻R1。
学生课堂活动1:教师黑板画出如图4电路,学生分组测量。
实验中,由于表头允许通过电流很小,可调节R1使表头达到满偏电流Ig。某小组甲同学测量数据如下:
UV=0.20V,Rg==2000Ω
同一小组乙同学认为UV应读取为0.19V,则Rg=1900Ω
师:电压表的示数太小,读数时的微小偏差对结果产生较大影响,不能精确测量Rg。那么增大电源电压可以使电压表的示数变大吗?
学生讨论得出结论:否,电压表示数其实就是表头的满偏电压,无法增大!
2.2 方案二
师:我们有没有什么办法提高电压表电压呢?
生:使电压表测量外电路电压。
学生课堂活动2:教师黑板画出如图5电路,学生分组测量。
实验中,调节R1使表头达到满偏电流Ig。某小组成员丙测量数据:UV=8.50V,R1=84600Ω,Rg=-R1=-84600Ω=400Ω
同一小组成员丁认为UV应读取为8.51V,则Rg=500Ω
其他各个小组测量的表头内阻结果相差很大,甚至有出现负值的情况。
师:我们实验操作是比较规范的,但测量结果却大不相同,问题出在哪儿?
师:(1)实验中,尽管电压表的示数较大,但电表读数在估读时的微小偏差依然对结果产生较大影响。在计算时,由于Ig=100μA=0.0001A,无论UV是大(8.50V)还是小(0.20V),电压数值都远大于满偏电流数值,UV的微小读数偏差,对于测量结果都影响很大。因此在本实验中不宜读取电压表示数,甚至不应该用电压表。
(2)在实验操作中,我们可以发现,当旋转电阻箱R1百位旋钮在一定范围内变化时,表头指针几乎不动,说明即使如表头这样高灵敏度的仪表,电路中电流的变化依然不足以使其指针位置变化,这样在读取电阻箱R1的阻值时,误差较大。
2.3 方案三 电流半偏法
师:请同学们结合串并联电路特点,除了增大R1可以改变电流外,还可以用什么方法改变电流?
启发学生:给表头并联一个阻值相当的电阻R2分流。
(教师黑板画出如图6所示电路)
师:既然保护电阻R1的阻值很大,不适合读取,那么能否通过其它电阻如R2来求表头内阻呢?甚至在特定条件下,能否把R2的阻值看成是Rg?
师:(停顿片刻)步骤一:只闭合S1,调节R1,使表头满偏;
步骤二:再闭合S2,调节R2(R1不变),使表头半偏;认为R2=Rg
请同学们讨论这样设计可行吗?
生:步骤二电路的总电流发生变化,并联部分两个支路电流并不相等,有问题呀!
师:能想到这一点,很不错!不过,保护电阻R1通常几万Ω,电路总电阻基本由R1决定,故闭合S2后,电路总电流仍可视为满偏电流Ig,因此R2与Rg电流都是满偏电流的一半。
此方法称为“电流半偏法”,R2与Rg阻值基本相同,R2读数的误差较小,通常可以在5%以内,在高中阶段,属于连接简单、测量精确的常用方法。
学生课堂活动3:学生按图6所示,分組测量
器材:电源电压8V,R1:0-99999.9Ω,R2:0-9999.9Ω,电键2个,导线若干。
师:并联R2后,电路总电流发生变化,由此产生测量系统误差。下面对此方案进行误差分析:
3 课堂小结
师:今天我们这一节课,一起探究了测量表头内阻的几种方案,有些方案看上去可行,但是当我们实际操作时,遇到一些影响实验误差的因素。要善于抓住主要矛盾,忽略次要矛盾(如“电流半偏法”中干路电流的微小变化)。同学们可继续在以后的研究性学习活动中,来物理实验室探讨其它可行方案。
4 教学反思
正如林明华老师在其著作《慢悟理》中提到:教师应善于在平时的授课中,穿插进行探究能力的培养……从教材到课堂需要教师进行二次创造,追求教学的有效性[ 1 ]。
本节课所授内容虽没有纳入现行鲁科版教材,但高考中时有出现,针对我校学生实际情况,笔者认为学生通过“测量表头内阻”这节课的理论分析与实验操作,可以不断发现问题、解决问题,在这种循序渐进、体验式的探究过程中,提高参与物理活动的兴趣以及实验观察、动手能力,养成严谨、细致、客观、耐心的科学态度,领悟物理之美。这远非做几道题目可比,也符合新课程理念。
考虑到本实验的精度问题,在以上几种实验方案中,(1)没有考虑电源内阻。一方面是由于电源内阻远小于保护电阻R1;另一方面实验中可选择学生稳压电源,可保证电源两端电压不变。电源符号仍用U表示。(2)没有考虑电阻箱、表头的系统误差(实验室常用的电阻箱0.2级,误差0.2%;表头1.5级,误差1.5%)。
参考文献:
[1]林明华.慢悟理[M].福州:福建教育出版社,2016:53-54.