探究性实验教学设计——电阻测量

1 设计思想

探究性学习是现行《普通高中物理课程标准》所倡导的一种学习方式。因为这种学习方式能让学生经历类似于科学家那样的思考过程去解决问题。让学生在实践的矛盾和问题中去体验、磨练, 使知识与能力在积极的思考中, 相互合作中得到提升。

在探究性教学的过程中, 让学生主动参与设计, 教师并不是放任不管, 教师仍具有不可替代的主导作用。教师的主导作用体现为:提出问题、设置障碍、激发思考、适当点拨、提炼共享、享受成果。

2 教学目标

2.1 知识与技能

(1) 理解R的物理意义。

(2) 掌握伏安法与替代思想在电阻测量的应用。

(3) 进一步掌握实验仪器正确使用。

(4) 培养学生合作探讨的精神。

2.2 过程与方法

(1) 体会创造性思想及方法在探究中的产生。

(2) 知道在条件受限情况下电阻测量的各种方法。

(3) 理解测量在物理研究中的重要作用, 增强精确测量意识。

3 实验仪器

(1) 准备器材:伏特表、电流表、滑线电阻、电阻箱、电源、待测电阻、电键、导线、定值电阻, 每四人一组器材。

(2) 器材准备的思想:先准备尽可能多的器材, 同种实验器材提供不同类型, 在具体做时教师限制学生器材的使用。

4 教学过程

4.1 提出问题, 激发探究的愿望

不同的金属材料有不同的电阻率, 据R=ρL/S, 要测量金属的电阻率则必须。

首先测出电阻, 那么如何测量电阻呢?

4.2 探究思考

提醒学生首先考虑测量原理, 然后考虑用到的仪器, 电路设计图。经学生思考很容易想到测电阻的原理是欧姆定律R=U/I, 所以必须用电压表和电流表测电压和电流。让学生思考出两只电表接入后的电路图1和图2:

提醒学生按此图测量是否存在误差?在学生不能回答时提醒学生考虑电表均有电阻, 电压表有分流作用, 电流表有分压作用。实验操作上我们是把电压表读数、电流表读数作为电阻两端的电压和流过电阻的电流, 比较它们与电阻两端真实电压和流过电阻的真实电流的差别, 可知测量值与真实值相比是偏大或偏小, 并由学生思考、讨论回答如何减小误差。

科学家的研究总是受当时的技术条件的限制, 设定一定的条件让学生学会在受限的条件下如何去思考和解决问题。已知一只变阻箱、一只电流表、阻值较大的待测电阻及内阻可不计的干电池, 设计一个测电阻的电路图。教师首先巡视观察学生的设计情况, 适时提醒学生合力与分力是一种等效代替关系, 电阻测量上是否也可以采用等效代替关系?由学生同桌之间相互讨论, 抽选下列两种图线:

由设计的学生表达图3的做法:1、2间先接待测电阻, 后接变阻箱, 使两次电流表读数相同, 变阻箱的阻值等于待测电阻的值。

图4的做法:先让R=0, 记下电流表的读数, 再让变阻箱的阻值增加, 使电流表的读数减半, 即R=Rx。 (教师提出这又叫半偏法)

教师分析提出思考:图4的做法思想点很好, 但指针往往不能达到满偏, 然后半偏, 电表带来的读数误差较大。如果把表头的内阻作为测量对象, 并提供电阻箱、大阻值变阻器、电源、电键、导线, 按半偏法的思想设计一个比图4更好的电路图测出电表的内阻。

提出问题后由学生同桌之间相互讨论, 有人仍按图5设计。

教师把它拿到黑板上后分析:测出的是变阻器的阻值而不是表头的内阻。电表读数在减半时流过变阻器的电流也减半, 可不可以电流表读数减半而流过变阻器的电流基本不变?由此引导学生将变阻箱与电流表相并联, 如图6。

操作步骤:K2闭, K1断, 调节R’使电表满偏。合上K1, 调节R, 使电表半偏, 变阻器的电阻远大于电表内阻, 可认为流过变阻器的电流不变, 所以流过R的电流可认为等于电表, 变阻箱的电阻等于电表的电阻。

误差分析:合上K 1后总电阻略微变小, 流过变阻器的电流略微变大, 流过R的电流略大于电表的电流, R的阻值略小于电表的阻值, 而操作上把R的值作为电表的测量值, 结果偏小。

减少误差方法:采用电动势较大的电源, 使满偏时变阻器的阻值更大, 流过变阻器的电流变化更小。

提出问题:能否用上述电路测量电压表的内阻?

学生思考:电压表内阻太大, 不能满足变阻器的阻值远大于电压表内阻, K1合上总阻值变化很大, 流过变阻器的电流变化很大, 当电表半偏时流过变阻箱的电流与流过电表的电流相差很大, 不宜使用。

思考方向:大阻值与小阻值相并联, 大阻值的变化对整个电路影响可以不计, 引导学生变阻器采用分压式的接法, 如图7。

如果在实验中只给出一只待测电阻和两个内阻已知的电压表, 那么该如何来测量待测电阻的阻值?首先让学生思考、讨论, 然后教师提示 (因为不可能每个学生都能想的出) :内阻已知的电压表可以计算出流过它的电流, 可以充当电流表的作用。按此思路学生可以画出下列四种的全部或部分。

如果Rx约为900至1000欧姆, 电压表V1量程0至1.5伏, 内阻750欧姆, 电压表V2量程0至5伏, 内阻2500欧姆, 进一步的向学生提出如果要求两只电表的读书均要在1/3量程以上那应该选哪个电路?在学生思考后, 点明应通过具体计算的方法来确定, 教师和学生共同完成计算的过程。

如果在实验中只给出一只定值电阻和两个电流表, 那么该如何来测量电流表的阻值?思考的方向:如果能计算出流过电阻的电流, 那么就能算出电阻两端的电压, 定值电阻可以充当电压表的作用。有前面例子的基础学生可以设计出下面的电路图。

如果在实验中只给出一只电压表量程2V, 内阻约4KΩ, 一只电流表量程1.2mA, 内阻约500Ω, 一只定值电阻, 那么该如何来测量电压表的阻值?思考的方向:定值电阻可以充当电流表的作用。有学生会按图10的方案设计, 也有学生会按图11的方案设计, 是否均可行?提示学生通过具体的计算确定在什么样的条件下图10是可行的或不可行。图11的方案中电动势取约2.4伏按上述数据定值电阻应取什么样的值可以让两个电表均达到半偏以上?

4.3 探究实践

(1) 学生按已设计的电路图进行实际操作测量, 并把测量的结果相互交流。

(2) 伏安法测量中存在因电压表的分流和电流表的分压而存在系统误差, 如何把此电路作设计上的改进, 从而消除这一方面的误差。学生完全独立设计或查找资料寻求解决的方法。

4.4 探究结论

用明确方式表达实验的结果也是一种能力, 让每一小组的代表阐述实验的过程, 实验的结果, 有什么要改进等。

4.5 探究评价

获得实验结果后, 让学生比较各种测量方法的特点, 明确使用各种方法测量的前提条件。今后碰到别的物理或技术上的测量问题时, 应如何去考虑测量的方法。

5 教学反思

现行教材的理念是以学生为中心, 让学生在参与、体验、感悟的过程中学会方法、体会方法、体会成功的乐趣, 用兴趣来激发他们持久的学习动力。在探究的过程中培养学生敢于思考、乐于合作、勇于实践的态度。在实验教学中应来源于教材, 又不拘泥于教材, 设计开放性实验, 培养学生科学习惯、科学方法。

摘要：本文以电阻的测量为平台, 从最基本的思想:伏安法、替代法为出发点, 在各种具体实验设备条件下让学生设计出不同的测量方法, 进行自我发现, 经历一个完整的探究过程。让学生提出实验方案、动手操作、总结、表达、自我评价, 使学生思维得到拓展, 学会新的方法、领悟创造技巧, 享受创造的乐趣。

关键词：探究性,电阻,测量