踐行“慢悟理”課堂教學

楊明

摘 要：高中電學實驗中，經常根據需要對表頭進行改裝以得到電表的各種量程，因此表頭內阻的測量顯得尤為重要。本文闡述了一節公開課的教學過程，學生反饋，以及課后教師反思，提出課堂教學應從學生認知事物的發展規律出發，探討課堂實驗的實施方式方法，使學生逐步走進物理、領悟物理魅力。

關鍵詞：慢悟理；電學實驗；半偏法；有效教學

引言

在福建教育學院主辦的普通高中物理教師高級研修班活動中，筆者上了一節高二“測量表頭內阻”公開課，本文拋磚引玉，淺談對本節公開課的一些教學想法與反思。

1 教學引入

磁電式靈敏電流計又稱表頭（本文統稱為表頭），是電壓表與電流表的核心部件。表頭指針偏轉到最大刻度時的電流Ig叫滿偏電流，此時它的電壓Ug叫滿偏電壓，內阻Rg，服從歐姆定律Ug=IgRg。表頭的滿偏電壓和滿偏電流通常都很小，無法直接測量電路的電壓和電流，需要將其改裝成量程較大的電壓表和電流表。表頭內阻通常幾百Ω到幾千Ω不等，因此在改裝電表前，我們需要測量其電阻。今天我們就來學習如何測量表頭內阻。（規格：44C2-A型；滿偏電流100μA，內阻2000Ω左右，如圖1）

2 教學過程

2.1 方案一

師：測量未知電阻，我們可以用什么方法呢？

生：伏安法。

（教師黑板畫出如圖2所示兩種電路：伏安法內接與外接電路）

師：今天我們想測量表頭的內阻，可以用伏安法嗎？

生：應該可以吧，電壓表測量表頭電壓，表頭測量自身電流。

（教師黑板按照學生構想畫出如圖3電路）

師：此電路測量表頭內阻是否可行？請同學們相互討論。

（部分學生認為可行，部分學生認為電流會超過表頭量程）

師：我們估算下，常見學生電源最小電壓U=2V，若Rg取2000Ω，則電路電流約為1000μA，遠大于表頭滿偏電流100μA，所以電路要串聯阻值較大的保護電阻R1。

學生課堂活動1：教師黑板畫出如圖4電路，學生分組測量。

實驗中，由于表頭允許通過電流很小，可調節R1使表頭達到滿偏電流Ig。某小組甲同學測量數據如下：

UV=0.20V，Rg==2000Ω

同一小組乙同學認為UV應讀取為0.19V，則Rg=1900Ω

師：電壓表的示數太小，讀數時的微小偏差對結果產生較大影響，不能精確測量Rg。那么增大電源電壓可以使電壓表的示數變大嗎？

學生討論得出結論：否，電壓表示數其實就是表頭的滿偏電壓，無法增大！

2.2 方案二

師：我們有沒有什么辦法提高電壓表電壓呢？

生：使電壓表測量外電路電壓。

學生課堂活動2：教師黑板畫出如圖5電路，學生分組測量。

實驗中，調節R1使表頭達到滿偏電流Ig。某小組成員丙測量數據：UV=8.50V，R1=84600Ω，Rg=-R1=-84600Ω=400Ω

同一小組成員丁認為UV應讀取為8.51V，則Rg=500Ω

其他各個小組測量的表頭內阻結果相差很大，甚至有出現負值的情況。

師：我們實驗操作是比較規范的，但測量結果卻大不相同，問題出在哪兒？

師：（1）實驗中，盡管電壓表的示數較大，但電表讀數在估讀時的微小偏差依然對結果產生較大影響。在計算時，由于Ig=100μA=0.0001A，無論UV是大（8.50V）還是小（0.20V），電壓數值都遠大于滿偏電流數值，UV的微小讀數偏差，對于測量結果都影響很大。因此在本實驗中不宜讀取電壓表示數，甚至不應該用電壓表。

（2）在實驗操作中，我們可以發現，當旋轉電阻箱R1百位旋鈕在一定范圍內變化時，表頭指針幾乎不動，說明即使如表頭這樣高靈敏度的儀表，電路中電流的變化依然不足以使其指針位置變化，這樣在讀取電阻箱R1的阻值時，誤差較大。

2.3 方案三 電流半偏法

師：請同學們結合串并聯電路特點，除了增大R1可以改變電流外，還可以用什么方法改變電流？

啟發學生：給表頭并聯一個阻值相當的電阻R2分流。

（教師黑板畫出如圖6所示電路）

師：既然保護電阻R1的阻值很大，不適合讀取，那么能否通過其它電阻如R2來求表頭內阻呢？甚至在特定條件下，能否把R2的阻值看成是Rg？

師：（停頓片刻）步驟一：只閉合S1，調節R1，使表頭滿偏；

步驟二：再閉合S2，調節R2（R1不變），使表頭半偏；認為R2=Rg

請同學們討論這樣設計可行嗎？

生：步驟二電路的總電流發生變化，并聯部分兩個支路電流并不相等，有問題呀！

師：能想到這一點，很不錯！不過，保護電阻R1通常幾萬Ω，電路總電阻基本由R1決定，故閉合S2后，電路總電流仍可視為滿偏電流Ig，因此R2與Rg電流都是滿偏電流的一半。

此方法稱為“電流半偏法”，R2與Rg阻值基本相同，R2讀數的誤差較小，通常可以在5%以內，在高中階段，屬于連接簡單、測量精確的常用方法。

學生課堂活動3：學生按圖6所示，分組測量

器材：電源電壓8V，R1：0-99999.9Ω，R2：0-9999.9Ω，電鍵2個，導線若干。

師：并聯R2后，電路總電流發生變化，由此產生測量系統誤差。下面對此方案進行誤差分析：

3 課堂小結

師：今天我們這一節課，一起探究了測量表頭內阻的幾種方案，有些方案看上去可行，但是當我們實際操作時，遇到一些影響實驗誤差的因素。要善于抓住主要矛盾，忽略次要矛盾（如“電流半偏法”中干路電流的微小變化）。同學們可繼續在以后的研究性學習活動中，來物理實驗室探討其它可行方案。

4 教學反思

正如林明華老師在其著作《慢悟理》中提到：教師應善于在平時的授課中，穿插進行探究能力的培養……從教材到課堂需要教師進行二次創造，追求教學的有效性[ 1 ]。

本節課所授內容雖沒有納入現行魯科版教材，但高考中時有出現，針對我校學生實際情況，筆者認為學生通過“測量表頭內阻”這節課的理論分析與實驗操作，可以不斷發現問題、解決問題，在這種循序漸進、體驗式的探究過程中，提高參與物理活動的興趣以及實驗觀察、動手能力，養成嚴謹、細致、客觀、耐心的科學態度，領悟物理之美。這遠非做幾道題目可比，也符合新課程理念。

考慮到本實驗的精度問題，在以上幾種實驗方案中，（1）沒有考慮電源內阻。一方面是由于電源內阻遠小于保護電阻R1；另一方面實驗中可選擇學生穩壓電源，可保證電源兩端電壓不變。電源符號仍用U表示。（2）沒有考慮電阻箱、表頭的系統誤差（實驗室常用的電阻箱0.2級，誤差0.2%；表頭1.5級，誤差1.5%）。

參考文獻：

[1]林明華.慢悟理[M].福州：福建教育出版社，2016：53-54.