“探究通過導體的電流與電壓、電阻的關系”實驗的優化設計

(江蘇省徐州市西苑中學,江蘇 徐州 221000)

1 問題的提出

“探究通過導體的電流與電壓、電阻的關系”是課標中規定的學生必做實驗，也是初中電學實驗的難點之一，筆者根據教學實踐，對蘇科版九上物理教材的實驗設計進行了剖析，存在問題如下：

(1) 在“探究通過導體的電流與導體兩端的電壓關系”時,運用控制變量法，保持導體的電阻不變,改變導體兩端的電壓。教材以“信息快遞”的方式,給出了改變導體兩端電壓的具體方法：調節滑動變阻器滑片的位置。

通過前一節的學習,學生對滑動變阻器的結構、原理以及使用方法都有了一定的認識,但還不夠系統和全面。在前一節中,無論在滑動變阻器的引入、原理的介紹，還是使用方法的教學上,都凸顯一個核心內容:滑動變阻器可以改變接入電路中電阻絲的長度,從而改變接入電路的電阻,最終改變電路中的電流大小。至于滑動變阻器在電路中的其他作用,并未涉及。因此,對于本節“信息快遞”所介紹的“要改變電阻R兩端的電壓，只需調節滑動變阻器滑片P的位置”,學生難以理解，在理解不了的情況下,便要直接上升到應用層面去探究電流與電壓之間的關系,顯然強人所難。若要解開學生心中的疑惑,需要應用歐姆定律,即需應用歐姆定律的內容來幫助探究歐姆定律,存在邏輯上的問題。

(2) 在“探究通過導體的電流與導體電阻的關系”時,根據教材所設計的實驗電路,我們需要多次改變接入電路中導體的電阻,即多次更換接入電路中的導體。其一，要拆裝電路，重復以下步驟:斷開開關，將滑動變阻器的滑片P移至阻值最大處。這無疑增加了實驗的復雜程度。其二，更換了不同阻值的導體后,導體兩端的電壓將隨之改變。為了控制導體兩端的電壓不變,得再次調節滑動變阻器。很明顯,此時滑動變阻器的主要作用是控制導體兩端的電壓不變。然而,在“探究通過導體的電流與導體兩端的電壓關系”時,滑動變阻器的主要作用是改變導體兩端的電壓。在實驗中,同一滑動變阻器的作用截然不同，對學生實驗產生干擾。

2 實驗優化設計

綜上所述,滑動變阻器的引入是教材中探究實驗的癥結所在。那么,不使用滑動變阻器就無法實現對歐姆定律的探究了嗎?筆者經過思索并充分考慮學生已學知識,對該實驗進行了優化設計,不僅可以實現對歐姆定律的探究,而且更加簡潔明了,學生更容易接受。

針對問題(1)，所要解決的問題是:在不使用滑動變阻器的情況下,能多次改變導體兩端的電壓。最直接的實現方式就是改變電源電壓。對此,學生很容易聯想到在“電壓和電壓表的使用”一節中,學到的有關電池組電壓的知識,并加以運用。為了避免重復接線的繁瑣,同時考慮到電池內阻對實驗產生影響以及大量廢舊電池可能會給環境帶來污染等問題，筆者最終選擇使用學生電源，可以直接通過調節旋鈕,改變電源電壓,獲得多組電流與電壓的數據,順利完成實驗探究(如圖1)?？紤]到教材實驗中滑動變阻器的另一作用:保護電路，筆者建議可以在圖1的電路中,串聯接入一個阻值合適的定值電阻。

圖1

針對問題(2),所要解決的問題則是:在不使用滑動變阻器的情況下,保持導體兩端的電壓不改變。若不更換導體,則僅有一組數據,顯然不符合科學探究的基本要求。但更換了導體,考慮到電源內阻對實驗的影響,路端電壓與電源電動勢不等,電壓就要發生改變。為解決這個矛盾,筆者想到可以利用學生已知的并聯電路電壓的特點,將數個阻值不同的導體并聯,再接入電路中(如圖2)。這樣,既保證了不同電阻兩端的電壓相同,亦避免了反復拆裝電路的繁瑣,同時在一次實驗中可測量多組數據,實驗效率大幅提高。另外,考慮到電阻并聯,總阻值減小。為避免干路電流過大,建議在干路中串聯一個阻值合適的定值電阻,起保護電路的作用。

圖2