多用電表測量二極管阻值的變化及實驗教學反思①

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210000)

1 問題的提出

1.1 教材中對于問題的描述

在人教版高中物理選修3-1第二章第八節“多用電表的原理”中,介紹了利用多用電表的歐姆擋來直接測量電阻的原理;在第九節“實驗:練習使用多用電表”中,安排了測量二極管正反向電阻的相關實驗,以驗證二極管的單向導電性。同時,在腳注部分,教材說明了對于使用不同歐姆擋測量同一二極管的阻值會相差很多這一現象。但對于產生這一現象的原因,教材中的解釋僅為“二極管是非線性原件,它的阻值與通過電流的大小有關”,其著重點為判斷二極管的好壞,以及區分其正負極,并說明了“讀出的電阻數值沒有實際意義”。如果不通過實驗,學生很容易忽略這一問題,教師也可能像教材一樣對這一內容一筆帶過。

1.2 實驗中的黑箱問題

在教材的“問題與練習”部分,包括一些競賽類的實驗中,都設有電學黑箱實驗,使用多用電表探究黑箱內的電學元件。有的黑箱中放置了二極管,學生通過使用多用電表的歐姆擋,利用紅黑表筆進行正反向的測量,可以得知接線柱之間二極管的存在及其擺放方向。有的學生會在實驗之余想要測量出二極管的正向電阻,如果用歐姆表的不同擋位來進行測量,就會發現阻值并不相同,進而引發進一步的探究。

以MF47型多用電表為例,測量電學元件黑箱中二極管的正向電阻阻值如表1所示。由此可以清楚地看出,用不同歐姆擋測出的阻值確實有很大的差別。

表1

2 理論分析

2.1 多用電表的內部結構

多用電表歐姆擋內部結構原理如圖1所示，當改變擋位時,電表內部電池的電動勢沒有改變,但多用電表的內阻值發生了很大的變化。[1]由于各擋位的內阻值等于中值電阻(即歐姆表盤的中間刻度值)，MF47型多用電表的×1擋的內阻為16.5Ω,×10擋的內阻為165Ω,而×100擋的內阻為1650Ω……可見,以10倍的倍率改變擋位時,其內阻也在以10倍的倍率改變。

2.2 二極管的伏安特性

二極管為非線性元件,其正向電阻大小與通過的電流大小有關,并非為一定值,即與加在其兩端的電壓大小有著直接的關系。以硅管為例,其加正向電壓時的伏安特性曲線如圖2所示。當加于在其兩端的正向電壓小于0.5V時,二極管表現出很大的電阻,并且電阻值隨著電壓的升高而緩慢減小;當所加正向電壓大于0.5V時,二極管的電阻會迅速減小。

圖1

圖2

3 實驗測量與結果分析

將調至歐姆擋的多用電表看作電源,其電動勢為一節干電池的電動勢,內阻由電池的內阻r和表內串、并聯的電阻及表頭的內阻r0組成。將多用電表接入帶有滑動變阻器的電路中,在不同量程下,測量得到電源的I-U特性曲線如圖3所示。

圖3

圖4

由圖3可知,當改變擋位時,多用電表相當于一個內阻在改變的電源,選擇擋位的倍率越大,其內阻就越大,用其來測量同一個電學元件時,加在其兩端的電壓就會發生改變。若待測元件為線性元件,其阻值為定值,那么改變擋位對測量結果不會產生影響。但由于二極管為非線性元件,電阻并非定值,就會出現用不同擋位時所測阻值不同的現象。通過圖像不難發現,當使用×1擋時,多用電表歐姆擋的內阻較小,測量二極管時其紅、黑表筆之間的輸出電壓較高,因此二極管電阻的測量值較小;當擴大擋位的倍率之后,電表的內阻變大,紅、黑表筆之間輸出電壓隨之降低,二極管電阻的測量值隨即變大。[2]

將圖2與圖3相結合,可得圖4結果,圖中三條直線與曲線的三個交點所對應的橫、縱坐標即為二極管在不同量程下的電壓和電流值。從圖4中可以直觀地看出：在不同擋位下,紅、黑表筆間提供給二極管的電壓不同,測得二極管的電阻也就不同,用×1擋測得的電阻最小。

4 對教學的啟示

4.1 關于學生實驗能力及問題提出能力的培養

黑箱實驗為學生的拓展探究項目,在現行教材中,作為學習多用電表之后的練習題,體現了新課標對實驗的重視,對學生動手實驗和探究能力也有了進一步的要求。在這樣的大背景下,教師更應該注重對學生的引導。黑箱實驗作為一個探究性實驗,有許多值得挖掘和研究的地方。在常規的探究內部電學元件的實驗中,學生通過多用電表的使用,測量各接線柱之間的電壓、電阻等數值,判斷其中的元件類型,由此可以培養學生的自主實驗能力和思維能力。[3]同時結合教師的適當引導,學生在實驗的過程中也能夠發現一系列新的問題,例如本文中提到的二極管正向阻值的問題。此類問題如果不通過親身試驗,僅僅是依靠書本上的幾句話來進行原理說明的話,很可能被學生忽略,也不容易為學生所理解。通過實驗進一步提出衍生性的問題,不僅培養和鍛煉了學生發現問題、提出問題的能力,也使學生充分體驗了科學探究的完整過程,提高了問題意識。同時,通過實驗,學生能夠更好地掌握和理解物理知識。

4.2 關于教師實驗教學方法的思考

對于教師來說,要正確引導學生進行自主實驗,在適當介紹實驗原理及步驟之后,應放手讓學生來對黑箱的內部結構進行探究,適時加以指導。教師不應照本宣科,僅僅教授課本中所提到的內容,這樣便固化了學生的思維,而應充分給予學生自主的思考空間,由問題引發實驗探究,再由實驗誘發新的問題,如此良性循環,提高其科學探究能力。