《多用電表的原理與使用》的探究式教學實例

突出科學探究是當前教育的總方向，特別是物理教學。《物理課程標準》和《課程實施建議》都把科學探究擺在重要的位置，十分注重科學探究的過程。因此，課堂教學作為物理問題探究過程的主要展示平臺，更是中學物理教學不可缺少的環節。筆者以高中物理（魯科版）《多用電表的原理與使用》這一課的課堂設計為例，談談探究式教學的實施過程。

一、從復習舊知識導入新課

1.電壓表和電流表都是由電流計改裝而成的

（1）表頭（電流計）有Rg、Ig、Ug三個參數，且它們符合歐姆定律：Ug= Ig Rg。

（2）改裝成電壓表，擴大原來的n倍（U=nUg）：① 串聯一個分壓電阻，R串=（n-1）Rg；②請在導學案中畫出多量程電壓表的設計（如圖1所示）。

（3）改裝成電流表，擴大原來的n倍（I=nIg）：① 并聯一個分流電阻，R并=Rg /（n-1）；② 請在導學案中畫出多量程電流表的設計（如圖2所示），本設計較難，學生可參照課本中第三章第4節的設計。

2.已知用電壓表、電流表可以測定未知電阻Rx的大小

學生已經掌握了測定未知電阻的兩種方法：電流表內接法和電流表外接法，并且知道它們的誤差。通過復習兩表法測電阻的不便性，為歐姆表的引入與探究做好鋪墊。

二、新課教學

（一）對歐姆表的探究式教學

1.問題的提出

筆者提出問題：“通過最近的學習，你們能不能利用一個表頭來測定一個未知電阻，如果可以該如何做呢？”

2.猜想與假設

筆者請學生思考：“如圖3所示，直接與電阻串聯或并聯可以嗎？”學生回答：“不可以，因為沒有電源，表頭不會偏轉。”筆者繼續提問：“如圖4所示，加入電源后，由閉合電路歐姆定律I= 可知，如果知道了電源的電動勢E、r，就可以通過電流I的值，算出Rx，Rx= -r+Rg。不過在實際工作時，要預先測知電表中的電源內阻和電動勢值才能解決問題。那么，有沒有更加便捷的方法來直接測量一個未知電阻呢？”筆者引導學生去設計可行方案，并予以適當提示，建立可行的物理模型。然后，導入新課：“我們將學習一種專門用來測電阻的新儀表——歐姆表。”

3.探究過程

修正學生建立起來的模型，畫出實驗設計原理圖，先進行理論探索，再進行實驗探究。

（1）理論依據：歐姆表測電阻原理——閉合電路歐姆定律

閉合電路歐姆定律是探究的基本原理，但實際上，我們沒有使用從表頭上讀出的電流，也沒有用閉合電路歐姆定律算出被測電阻Rx，而是通過一定的方式直接讀得。

（2）理論探究過程

若由滿偏電流為Ig=100μA的表頭G與電源E=1.5V直接，再與被測電阻Rx串聯組成回路，只能由閉合電路歐姆定律算出被測電阻的大小，且當Rx增大時，直接反映出表頭的電流減小，但不是線性關系。那么，我們應該怎么辦呢？

如在上述的電路中，先串上一個可變電阻RP（電位器），形成電路如圖5所示。測電阻前，先把兩表筆短接，調整RP，使表頭滿偏，則有Ig = 。令RΩ= = r+Rg+RP，即歐姆表的內阻，這由電源電動勢E與滿偏電流Ig共同決定（如上參數則RΩ =15kΩ），此時R0=0。如果Rn= nRΩ時，In = ，那么思考并填寫導學案中的表格（如表1所示）：

表1

（3）實驗探究過程

筆者要求學生根據上述原理組裝實驗器材，完成以上幾個步驟后，整體封裝后就成了一個歐姆表，可以粗略地測量未知電阻。通過動手實驗和實踐操作，學生能更加清楚歐姆表的內部結構及工作原理，更加明確歐姆表內置電源極性的正確連結方法，更加深刻理解對調零電阻的作用，真正理解歐姆表的刻度原理和使用方法，體驗到學習物理的樂趣。

4.探究與發現

（1）調零后歐姆表中央刻度與歐姆表內阻關系

從歐姆表測電阻的原理分析過程可知，測電阻的過程實際上是把被測電阻與歐姆表內阻進行比較的過程。因此，只有歐姆表的內阻數值準確了，被測電阻的讀數才會相對準確。

（2）刻度不均勻，呈左密右疏

在原來的表盤上刻上新刻度，用以直接表示電阻的大小，常使用兩種方法：一是由閉合電路歐姆定律R= -RΩ算出任意電流對應的電阻R，二是由電阻箱R接在兩支表筆間，根據指針的位置直接刻度。不管怎樣，中間刻度（中值）對稱的兩側總有R1R2 =R2Ω的刻度特點。

（3）刻度盤上的刻度只寫權重數值

在刻度盤上實際刻度時，左側刻度很密，數值又相對較大，所以一般整個表盤上標記數值都只寫權重，在實際讀數時，注意乘以選擇開關上的倍率（10a）。

（4）歐姆表內有電源，且黑正（電勢高）紅負（電勢低）

在使用電表進行測量時，表針必須正偏（右偏），這使得電流必須從固定的方向通過表頭。一般規定電流從紅表筆流入，從黑表筆流出，所以當其作為內置電源時，黑表筆與電源的正極相連，工作時黑表筆電勢高于紅表筆。

（二）從歐姆表到多用電表的整合及使用探究

1.提出問題

已知可以利用表頭改裝成測電壓的電壓表、測電流的電流表及測電阻的歐姆表，那么能否用一個表頭以及適當的其他元器件，設計出可以測量以上三個電學量的多用電表呢？如果可以該如何設計？

2.進行猜想及小組合作探究

筆者讓學生進行合作探究，充分表達自己的想法，并輔以適當的引導，使學生逐步設計出可行的方案，即做到集多量程的電流表、多量程的電壓表及歐姆表于一身。這樣就可以用一個表頭測量出多個電學量了。

3.分析與論證

完善學生的各種設計之后，筆者又從原理上分析與論證了電路的可行性，讓學生說明或解釋設計原理。

4.探究結果的應用

筆者展示多用電表的設計圖與實物，印證猜想與理論探究結果，讓學生體驗物理規律指導實際的真實性和可行性，激發學生學習物理規律的興趣，體會學以致用的樂趣。

（1）學會歐姆表測電阻的步驟及操作方法

如圖7所示，第一，先選檔。選擇開關打在測電阻的一定倍率的檔位上；其次，調零。在測量未知電阻前，應歐姆調零，換檔應歐姆調零；第三，測量。測量時雙手不能同時與被測電阻接觸，測量電器上的電阻時，首先應斷開電源，再斷開被測電阻與電路的其他元件；第四，判斷。指針是否在刻度盤標尺中央1/3區域附近，如果不是，重新選檔，如果是，進行讀數；第五，讀數。刻度盤的數值不估讀×倍率；第六，關斷。把選擇開關打在“OFF”檔，使內部電源斷開，或交流最高檔，因為它具有最高的容錯性，可以最大限度地允許下次如果使用不當或錯誤地使用而燒壞表。

（2）操作實踐

筆者提供定值電阻（三個20 kΩ、一個6.7kΩ、一個47Ω）、白熾燈（220V，40W）、二極管（兩個1N4007、一個1N4118）、電解電容器（220μF，16V）等器材，要求學生自主實踐，讓學生再次領會正確使用歐姆檔測電阻的方法。

（3）測電壓的步驟

測電壓所需的材料包括干電池、扣電池、9V疊層電池等。通過這個實驗，可以讓學生測量不同的電壓，并正確地讀數。

參考文獻：

[1]令狐昌勤.歐姆表測電阻的誤差分析和量程選擇[J].物理通報，2001，（1）.

[2]張少波.談多用電表歐姆擋的內部結構[J].物理通報，2006，（11）.

（作者單位：福建省連江尚德中學）