新型歐姆定律教具

李欣雨，李瀛宇

新型歐姆定律教具

李欣雨，李瀛宇

（雛鷹翊智（北京）教育科技有限公司，北京 100000）

經(jīng)過調(diào)研以及分析表明，現(xiàn)有的歐姆定律實驗方法以及教具學(xué)生操作起來需要反復(fù)拆卸、更換，比較復(fù)雜。雖然能夠驗證歐姆定律的公式，但是不能夠直觀、形象地觀察到電壓、電流、電阻的變化以及它們之間的關(guān)系，導(dǎo)致很多剛學(xué)完歐姆定律沒多久的學(xué)生記不住這個實驗。所以根據(jù)現(xiàn)實的需求制作本發(fā)明——看得見的歐姆定律，不僅能夠?qū)嶒灇W姆定律還能夠讓人們看得見，用水形象地演示出電阻、電壓、電流之間的關(guān)系。

歐姆定律；電阻；電壓；電流

現(xiàn)有歐姆定律實驗教具的步驟太過復(fù)雜，儀器也太多，實驗老師操作起來很不方便。雖然實驗過程的數(shù)據(jù)可以很清楚看見但是卻不能直觀、形象看出電阻、電壓、電流的變化以及它們之間的關(guān)系。

保留現(xiàn)有歐姆定律實驗教具的優(yōu)點，把缺點改進，再組成一個全新的歐姆定律實驗演示教具。

1 調(diào)查與研究

為了能夠了解人們對歐姆定律實驗演示教具的需求，以及現(xiàn)有的歐姆定律是怎樣進行實驗的，通過問卷調(diào)研以及網(wǎng)上調(diào)研，最終得出現(xiàn)有的歐姆定律實驗方法。

1.1 問卷調(diào)查

通過問卷調(diào)研得出，人們對歐姆定律實驗演示教具的需求主要是：實驗效果明顯，有除數(shù)據(jù)以外更形象的變化，并且操作簡單不用反復(fù)拆裝線。

1.2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)查

通過網(wǎng)上調(diào)研找到了歐姆定律的實驗教具，這是一個物理的電學(xué)實驗套裝，里面有歐姆定律中要用到的電流表、電壓表、滑動變阻器、開關(guān)、不同阻值的用電器等。但是經(jīng)過調(diào)研以及分析表明，現(xiàn)有的歐姆定律實驗方法以及教具操作起來需要反復(fù)拆卸，很復(fù)雜，并且不能夠直觀、形象地觀察到電壓、電流、電阻的變化以及它們之間的關(guān)系，所以現(xiàn)有的歐姆定律實驗教具已經(jīng)不能完全滿足人們的需求。

1.3 調(diào)研結(jié)果

通過問卷調(diào)查以及網(wǎng)絡(luò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)新型歐姆定律實驗教具的研究和制作是非常有必要的，不僅方便教師實驗，也能加深學(xué)生對歐姆定律的理解。

1.4 研究計劃

為研究這個問題，制定了詳細的研究方案。然后根據(jù)研究方案分別制定了詳細的調(diào)研計劃：可行性研究；教具需求功能研究；實驗論證。

2 確定教具任務(wù)指標(biāo)

根據(jù)調(diào)研以及分析，研究和制作的教具一定要具有以下幾個功能：實驗效果明顯，除數(shù)據(jù)外要有更直觀、形象的變化，能夠全新模擬歐姆定律實驗中電阻、電壓、電流之間的關(guān)系；使用起來簡單，易操作，不用反復(fù)拆裝線；能夠驗證歐姆定律實驗；外觀要精美，便于學(xué)生加深實驗印象。

3 創(chuàng)意與設(shè)計

3.1 第一稿設(shè)計

歐姆定律的內(nèi)容：在同一電路當(dāng)中，導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。便于觀察實驗數(shù)據(jù)，在實驗教具中一定要有顯示器，顯示電壓數(shù)值、電流數(shù)值以及電阻阻值的大小。由于歐姆定律的實驗是通過調(diào)節(jié)電阻阻值從而控制電路中的電壓以及電阻大小的，所以要有兩個滑動變阻器，一個通過調(diào)節(jié)阻值控制電路中的電壓，一個用于實驗中的被測電阻。

新型歐姆定律實驗教具應(yīng)有3個顯示器，分別顯示電壓、電流以及阻值的大小。當(dāng)打開開關(guān)后，教具工作，顯示器亮起來，進行第一次實驗：保持電阻不變，探究電流和電壓之間的關(guān)系。滑動被測電阻為一個固定阻值，讀出實驗數(shù)據(jù)并記錄，移動另一個滑動變阻器，使被測電阻兩端的電壓為某一數(shù)值，讀出電流的數(shù)值并記錄；保持被測電阻阻值不變，移動滑動變阻器，使被測電阻兩端的電壓為某一數(shù)值，讀出電流的數(shù)值并記錄；再用相同方法調(diào)整被測電阻兩端的電壓，并記錄數(shù)值。最終得出當(dāng)電阻不變時，電流和電壓之間的關(guān)系。進行第二次實驗：保持被測電阻兩端的電壓不變，探究電流和電阻的關(guān)系。

3.2 第二稿設(shè)計

在第一稿設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計外觀是一個方方正正的盒子，看起來不是很精美，而且違背了設(shè)計初衷，所以第二稿設(shè)計需要進行外觀優(yōu)化。

在第二稿中，不僅在外觀上進行了優(yōu)化，通過水流，形象并且直觀演示出電壓、電流、電阻的變化并模擬了它們之間的關(guān)系。同時保留了能夠顯示實驗數(shù)據(jù)的顯示器，便于觀察實驗數(shù)據(jù)。當(dāng)接通電源后，教具開始工作，當(dāng)調(diào)節(jié)滑動變阻器后，打開顯示器的開關(guān)即可檢測出實驗數(shù)據(jù)。當(dāng)打開水泵開關(guān)后，便能夠形象地用水流模擬電壓、電流和電阻之間的關(guān)系。

3.3 第三稿設(shè)計

雖然完成了第二稿設(shè)計，但是在外觀精美的條件下，如何能夠讓學(xué)生記憶深刻呢？在不斷地查找資料過程中做出了下面的調(diào)整：為了能夠方便觀察電阻、電壓、電流之間的關(guān)系，在第三稿設(shè)計中增加了水輪，因為水輪轉(zhuǎn)速的快慢能夠直觀體現(xiàn)出水壓和水流的變化。

在無任何阻擋的前提下，水壓越大，水輪轉(zhuǎn)速越快；水壓越小，水輪轉(zhuǎn)速越慢。并且增加水輪后，這個教具更加形象地演示出電壓、電流和電阻之間的關(guān)系，更能夠吸引學(xué)生的注意，所以能給學(xué)生留下非常深刻的印象。

除此之外，采用電阻表、電壓表、電流表分別測量電路中的被測電阻阻值、其兩端的電壓和通過的電流大小。這樣，在實驗時，可以選擇先關(guān)閉電阻表，通過電流表和電壓表顯示的數(shù)據(jù)，根據(jù)歐姆定律的公式計算出電阻阻值，再斷開電路開關(guān)，打開電阻表，進行驗證（誤差忽略不計）。這樣就可以對歐姆定律進行驗證了。

4 具體設(shè)計

設(shè)計的新型歐姆定律實驗演示教具，如圖1所示，不僅能夠讓人們看得見歐姆定律還進行了一體化設(shè)計，無需反復(fù)拆裝線。

圖1 看得見的歐姆定律實驗演示教具圖示

全新模擬電阻、電壓、電流的實驗演示教具主要由“L”型箱體結(jié)構(gòu)、引水槽、水槽三大結(jié)構(gòu)組成。

演示時，水槽中注滿水，打開水泵開關(guān)，看得見的歐姆定律實驗演示教具通過水流、水壓以及水輪轉(zhuǎn)速的變化模擬電阻、電壓、電流之間的關(guān)系。

因為水壓的大小由水位的高低差決定，電壓的高低由電位的高低差決定，所以，把電壓比擬為水壓。保持滑動變阻器撥片在右側(cè)固定位置不變，當(dāng)水位撥片向下移動時，看出水位高低差變小，此時水壓會變小，同時水輪的轉(zhuǎn)速變慢；當(dāng)水位撥片向上移動時，看出水位高低差變大，此時水壓變大，水輪的轉(zhuǎn)速變快。在電路當(dāng)中，電阻不變時，電壓變化的同時電流也會隨之變化，即電阻不變時，電壓越大電流越大；電壓越小電流越小。

保持水位撥片在固定位置不變，當(dāng)滑動變阻器撥片逐漸向左移動時，可看到被阻擋的水越來越多，且到一定程度時，水輪停止轉(zhuǎn)動。在電路當(dāng)中，電壓不變時，電阻變化的同時電流也會隨之變化，即電壓不變時，電阻越大電流越小；電阻越小電流越大。

實驗時，打開開關(guān)，電壓表測量被測電阻兩端電壓，電流表測量電流。此時可通過測量數(shù)據(jù)以及公式計算阻值大小，斷開電路的開關(guān)后，打開電阻表開關(guān)，測量電阻阻值，用于驗證歐姆定律（誤差忽略不計）。

5 電路設(shè)計

教具的電路圖如圖2所示。

圖2 教具的電路圖

在電路中有兩個電阻，一個用于調(diào)節(jié)電壓，一個作為電路中的被測電阻。由于在探究電流與電阻之間的關(guān)系時，需調(diào)節(jié)被測電阻的阻值進行實驗，所以為了實驗方便，在教具中用滑動變阻器當(dāng)作被測電阻，并且串聯(lián)一個電流表測量電路中的電流，在被測電阻兩端并聯(lián)一個電壓表，用于測量被測電阻兩端的電壓。電路中的用電器“LED”是為了防止在實驗過程中電壓、電流過大導(dǎo)致電源被短路。

6 3D建模

為了加深學(xué)生對實驗的印象，水輪以及滑動變阻器撥片等位置采用了3D打印技術(shù)。并且在設(shè)計的時候，遵循了設(shè)計三原則：結(jié)構(gòu)最簡化、質(zhì)量最輕化、載重最大化。整個“L”型箱體采取木制材料，水槽、引水槽均由亞克力組成，打印件由PLA材料打印而成。

7 制作與試驗

在制作的過程中，首先完成了電路部分，并且將電路焊接出來；其次制作箱體結(jié)構(gòu)，打磨過后為了讓教具更加美觀、不易變形，在教具表面樹脂硬化防水處理；制作完成后，教具進行了反復(fù)試驗，經(jīng)過檢測它的功能已經(jīng)全部達到標(biāo)準。

指導(dǎo)教師：李瀛宇。

G633.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.056

2095－6835（2020）01－0139－02

〔編輯：嚴麗琴〕