談對電位差計實(shí)驗教學(xué)的再認(rèn)識

摘要：電位差計實(shí)驗是一個傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗。總結(jié)多年實(shí)踐，力圖從原理講授、線路分析、語言運(yùn)用等方面闡述在教學(xué)中如何做到重點(diǎn)突出，難點(diǎn)化易，深入淺出，點(diǎn)點(diǎn)入地。在深層次上下功夫為提高物理實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量而勇于探索，不斷創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)償；校準(zhǔn)；分析線路

作者簡介：金玉玲（1964-），女，天津人，天津城建大學(xué)理學(xué)院，實(shí)驗師。（天津 300384）

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0113-02

在教學(xué)改革中，物理實(shí)驗室新開出一批內(nèi)容豐富的新穎實(shí)驗，也保留著一批傳統(tǒng)老實(shí)驗，電位差計實(shí)驗就是其中之一。僅以此為例認(rèn)真分析以往的實(shí)驗教學(xué)，并以教師對教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)理解的深度，以及闡述和解決的程度為標(biāo)準(zhǔn)。對該實(shí)驗在內(nèi)容、教法、測試手段諸方面的成功與不足之處做了評估，并有如下認(rèn)識上的升華和講課操作上的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。

一、電位差計在物理實(shí)驗中的地位

電位差計是利用補(bǔ)償法精確測量電動勢的儀器，[1]確立了它在實(shí)驗系列中的不可替代性，深入備課中發(fā)現(xiàn)：電位差計測量值的高精確度無懈可擊；[2]實(shí)現(xiàn)精確測量的方法巧妙；用途廣泛、功能齊全；電學(xué)四種基本線路會聚一堂，表現(xiàn)出電位差計實(shí)驗高、巧、廣、全四大特點(diǎn)。同時對學(xué)生進(jìn)行教育：再精巧的儀器也是人創(chuàng)造出來的，讀書、實(shí)驗都應(yīng)開動腦筋，特別對實(shí)驗而言，要想實(shí)驗效果好，必須動手又動腦。這樣，借以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在切實(shí)提高動手能力和科學(xué)實(shí)驗素質(zhì)上面狠下功夫。

二、關(guān)于實(shí)驗重點(diǎn)的認(rèn)識和講授

1.通過原理圖強(qiáng)調(diào)補(bǔ)償法的重要性

補(bǔ)償法是本實(shí)驗的重點(diǎn)，以往常是輕描淡寫一帶而過，這次運(yùn)用“比較法”從新舊知識銜接談起：電壓表在“模擬靜電場”實(shí)驗中曾被用于測量電源電壓，從理論公式ε=U外+U內(nèi)=U外+Ir[3]和圖示兩個方面成功地闡明了電壓表不能準(zhǔn)測電源電動勢的根源在于它不能使電路中的I=0。因而電流I流入電源內(nèi)部時，因電源內(nèi)阻r的存在而使內(nèi)壓降的產(chǎn)生變得不可避免，電壓表對內(nèi)壓降（Ir）的測量又無能為力。這樣既說出了電壓表準(zhǔn)測電源電動勢的局限性，又推斷出唯一能使電路中的I=0的補(bǔ)償法的優(yōu)越性，以其準(zhǔn)測電源電動勢而處于領(lǐng)先位置。最后總結(jié)出：電壓表和電位差計的根本區(qū)別在于誰能使電路中電流I=0，[4]避免電源內(nèi)部電位降的產(chǎn)生，公式U外=ε成立，各量均直接可測。相比之下，電位差計更顯優(yōu)勢。

本實(shí)驗教學(xué)用圖較多，以往講課時用到哪圖講哪圖，沒有深入思考并特意引導(dǎo)過它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，也未曾強(qiáng)調(diào)原理圖在整個實(shí)驗中的主導(dǎo)地位。現(xiàn)在，在講每個圖時都不忘和原理圖相呼應(yīng)。

在本課的最后又回過頭來將線路復(fù)雜的圖2、圖3、圖4解剖開來和看來十分簡單的補(bǔ)償原理圖做一比較不難發(fā)現(xiàn)：和補(bǔ)償原理圖一樣，后三圖的上半部（V0=1.000V/m）均為已知可調(diào)的校準(zhǔn)部分，下半部均為未知的待測部分。這說明電位差計不論其用于什么功能都必須先校準(zhǔn)后測量。[5]也證明：補(bǔ)償法確實(shí)是統(tǒng)率全局貫穿始終的教學(xué)重點(diǎn)。

2.用提問方式強(qiáng)調(diào)使用電位差計應(yīng)先校準(zhǔn)

電位差計作為一個測量電動勢的精密儀器。測前首先要進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測量值的高精確度——萬分之一伏。[6]對于使用者來說有比這更值得重視的問題，就是它反映了客觀真值的準(zhǔn)確程度。這一點(diǎn)是由“校準(zhǔn)”這一特定環(huán)節(jié)來完成的，嚴(yán)格地說，校準(zhǔn)是精度測量的前提，是精確測量的保障。校準(zhǔn)是給儀器定“準(zhǔn)星”，使它做到已知可調(diào)，嚴(yán)把校準(zhǔn)關(guān)。如果秤星定得不準(zhǔn)，稱東西就會缺斤短兩，而電位差計的“星”定得不準(zhǔn)，就會失去它精確測量的價值。因此，使十一線電位差計真正做到并保持住1.000v/m的電位降正是既定目標(biāo)。教師在講課中強(qiáng)調(diào)了校準(zhǔn)環(huán)節(jié)的保證作用，要求同學(xué)一絲不茍把它做好。在講校準(zhǔn)原理圖時不僅要把有關(guān)機(jī)制交代得很清楚，而且在本課最后，結(jié)合掛圖用提問作答的方法再次強(qiáng)化如下問題的極端重要性：問題一，校準(zhǔn)的目標(biāo)是什么？（答案：使11米長電阻絲做到V0=1.000v/m。）問題二，校準(zhǔn)主角是誰？（答案：提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定可靠電動勢為1.0186V的標(biāo)準(zhǔn)電池。）問題三，校準(zhǔn)的對象是誰？（答案：直接A’C=1.0186m長電阻絲，間接對象整個11米長均勻電阻絲。）問題四：校準(zhǔn)的關(guān)鍵是什么？（答案：小滑線變阻器制流出來的能使電路平衡的電流I。）問題五：校準(zhǔn)的方法是什么？（答案：標(biāo)準(zhǔn)電池和A’C段電阻絲并聯(lián)，并通過檢流計達(dá)到互為補(bǔ)償平衡。[7]）

為了指導(dǎo)學(xué)生做好校準(zhǔn)，從實(shí)踐中總結(jié)出如下口訣：輕按扣鍵、細(xì)調(diào)滑變、表指零、校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。這四句話不僅用來指導(dǎo)操作，做到手眼并用，而且還要指出每句話的實(shí)際含義，即“輕按扣鍵”的準(zhǔn)確位置在哪？為什么？“細(xì)調(diào)滑變”為何可提供使電路平衡所需的電流I？“表指零”說明什么問題？“校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)”達(dá)到什么目標(biāo)？

三、關(guān)于聯(lián)線難點(diǎn)的突破：分析線路，理解內(nèi)涵

長時間以來，學(xué)生對于這線路復(fù)雜、儀器多的實(shí)驗感到頭痛，即使線路勉強(qiáng)聯(lián)好也是密如蛛網(wǎng)，看不出頭緒。因此準(zhǔn)確而迅速地聯(lián)線成為實(shí)驗成功的關(guān)鍵，也是考查學(xué)生動手能力的試金石。為了“簡化”一下線路的迂回曲折，少出現(xiàn)聯(lián)線錯誤，把圖4的部分聯(lián)線做了如下改變：把右邊四個負(fù)極引出的線合四為一共聯(lián)在表一柱上（圖5），這樣聯(lián)法從客觀效果上看不出什么毛病，但對理解基本線路是不利的。特別對于加強(qiáng)學(xué)生練實(shí)驗基本功來說，更應(yīng)注意聯(lián)線的規(guī)范化。改進(jìn)之后，教師從講清線路內(nèi)涵做起，比如電壓表、滑線變阻器R、3V電源三位一體，并聯(lián)起來就組成一個完整的分壓電路。[8]它們各司其職：滑線變阻器R是分壓裝置，3V電源是分壓對象，電壓表V是分壓結(jié)果顯示。線路聯(lián)好后，3V電源的電壓將全部均勻降落在滑線變阻器R上，隨著用其阻值的多少，滑動頭T將分壓出0～3V的多個電壓值，這些電壓值由電壓表指針在刻度盤上指示出來。只有讓學(xué)生真正理解了線路的內(nèi)涵才不容易聯(lián)錯，即使聯(lián)錯也好自查自糾。

授課時，筆者還十分注意語言的運(yùn)用，力爭科學(xué)準(zhǔn)確，形象生動，深入淺出，點(diǎn)點(diǎn)入地。例如講到校準(zhǔn)和測量兩個環(huán)節(jié)時，把“校準(zhǔn)”說成是給秤桿定準(zhǔn)星，使其成為名符其實(shí)的秤桿；而“測量”是用有了準(zhǔn)星的秤再去稱東西。或者把“校準(zhǔn)”比作一位先生（標(biāo)準(zhǔn)電池）去教會一位學(xué)生（電位差計）；“測量”是有了本事的學(xué)生（什么本事？V0=1.000V/m做到已知可調(diào)），再去創(chuàng)造性地工作（準(zhǔn)確測量電動勢等）。

又如用電位差計校準(zhǔn)電壓表的過程，就是級別不同的兩種儀表對同一分壓值進(jìn)行測量的過程，通過這兩個測量值比較而達(dá)到校正電表的目的。[9]教師把這個過程說成是“出一個題目請兩個學(xué)生回答”。學(xué)生水平不同，答案也各異。“出一個題目”是分壓器分壓出來的客觀真值。“請兩個學(xué)生回答”是電位差計和電壓表各執(zhí)一詞，各抒己見，電位差計是級別高的標(biāo)準(zhǔn)表，電壓表是誤差較大的低檔表。因而，電壓表表盤刻度值的準(zhǔn)確與否，就通過兩個測量值的比較而顯現(xiàn)出來，考查出它反映客觀真值的可靠程度，這就是校準(zhǔn)。

語言是教學(xué)藝術(shù)水平的重要組成部分。善于用藝術(shù)的語言準(zhǔn)確表達(dá)科學(xué)的知識，不失為一個教研課題。語言運(yùn)用得好，可以變抽象為具體，變枯燥乏味為趣味盎然。恰如其分的形象比喻可以強(qiáng)化知識重點(diǎn)的理解，并可以加深記憶。

四、結(jié)束語

總之，學(xué)無止境，人們對問題的認(rèn)識也在不斷深化之中，永遠(yuǎn)不會停止在一個水平上。正是“要讓老樹開新花，還需認(rèn)識再深化”，這就是結(jié)論。

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