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——“自制模擬調(diào)光燈”教學(xué)案例分析

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)新城初級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 210019)

1 問(wèn)題的提出

蘇科版初中物理第14章的引入是以小明和小華想設(shè)計(jì)調(diào)光燈為探究背景，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式將探究逐步引向深入。隨著問(wèn)題的展開(kāi)，要完成組裝調(diào)光燈的任務(wù)，則必須解決碰到的每一個(gè)問(wèn)題。因此教科書(shū)以此為線索，讓學(xué)生掌握電阻的概念，引導(dǎo)學(xué)生掌握變阻器的用法，再回歸到完成調(diào)光燈的任務(wù)中來(lái)，發(fā)現(xiàn)最關(guān)鍵的問(wèn)題是要搞清電流與電壓、電阻的關(guān)系，也就是歐姆定律。在加深了對(duì)歐姆定律的理解后，最終以綜合實(shí)踐活動(dòng)的形式，由學(xué)生自主選擇器材，設(shè)計(jì)、組裝一盞調(diào)光燈，來(lái)實(shí)現(xiàn)本章一開(kāi)始就提出的任務(wù)。這既是對(duì)本章內(nèi)容的回顧總結(jié)，又是對(duì)本章知識(shí)的具體應(yīng)用，更是對(duì)學(xué)生的操作技能的提高，通過(guò)具體的實(shí)物制作，使得學(xué)生感悟理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)價(jià)值，在操作中取得直接經(jīng)驗(yàn)并獲得愉悅的體驗(yàn)。

自制模擬調(diào)光燈在設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮電路的安全問(wèn)題，要讓學(xué)生利用歐姆定律的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)合適的電路。其次是自制的調(diào)光燈不但要能夠調(diào)光，而且調(diào)光的范圍還要夠大、夠精細(xì)。如何利用身邊的器材來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的功能？身邊能夠利用來(lái)做變阻器的非鉛筆芯莫屬，但是鉛筆芯的型號(hào)很多，應(yīng)該選擇哪一種型號(hào)的鉛筆芯呢？選擇的依據(jù)是什么呢？這些都是在自制模擬調(diào)光燈時(shí)需要解決的問(wèn)題。

2 活動(dòng)過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)，挖掘?qū)W生潛能

自制模擬調(diào)光燈的首要任務(wù)是讓學(xué)生設(shè)計(jì)電路。學(xué)生設(shè)計(jì)的電路一般都是如圖1所示，在此電路中當(dāng)滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻很小時(shí)，顯然燈泡是不安全的。

師：如果考慮到燈泡的安全，圖1設(shè)計(jì)的電路有什么問(wèn)題？應(yīng)該如何改進(jìn)？

生：當(dāng)滑片移動(dòng)到最左端時(shí)，此時(shí)燈兩端的電壓是3V，超過(guò)燈泡的額定電壓，所以不安全，因此可以在電路中串聯(lián)一個(gè)定值電阻。

圖1

圖2

師：如圖2所示，請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算出此定值電阻最小為多少？

學(xué)生算出R1=1.7Ω。

師：我們手邊沒(méi)有1.7Ω的定值電阻，只提供了一根鉛筆芯，用它來(lái)替代圖2中的R1和R，如何在鉛筆芯上截取一段1.7Ω的電阻？

此問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路是想讓學(xué)生說(shuō)出先要測(cè)量一根鉛筆芯的總電阻，然后根據(jù)電阻與長(zhǎng)度成正比來(lái)截取適當(dāng)長(zhǎng)度，但是學(xué)生經(jīng)過(guò)討論與交流后，又發(fā)現(xiàn)了更好的方法。

方法1：在燈泡兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表，閉合開(kāi)關(guān)后移動(dòng)滑片，直到電壓表的示數(shù)為2.5V，那么此時(shí)鉛筆芯最左端與滑片間的電阻大小為1.7Ω；

方法2：在電路中串聯(lián)一個(gè)電流表，閉合開(kāi)關(guān)后移動(dòng)滑片，直到電流表的示數(shù)為0.3A，那么此時(shí)鉛筆芯最左端與滑片間的電阻大小1.7Ω；

方法3：測(cè)量出這根鉛筆芯的電阻和這根鉛筆芯的長(zhǎng)度，再根據(jù)鉛筆芯的電阻與長(zhǎng)度成正比的關(guān)系，算出R1=1.7Ω的鉛筆芯長(zhǎng)度。

教育家陶行知先生說(shuō)過(guò):“人生兩寶,雙手和大腦。”動(dòng)手動(dòng)腦是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效方法，這就要求我們教師要放手讓學(xué)生去思考去動(dòng)手，給學(xué)生充足的時(shí)間和空間按照自己的想法去實(shí)踐,去驗(yàn)證自己所學(xué)的東西,從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 實(shí)踐操作，優(yōu)選實(shí)驗(yàn)器材

筆者提供了3種型號(hào)的鉛筆芯(6B、HB、2H)給學(xué)生，讓他們把這3根長(zhǎng)度相同、型號(hào)不同的鉛筆芯分別接入模擬調(diào)光電路中，并移動(dòng)滑片，通過(guò)觀察燈泡亮度的變化，讓學(xué)生們判斷哪種型號(hào)的鉛筆芯更適合調(diào)光電路？

生：把6B鉛筆芯接在電路中，移動(dòng)滑片時(shí)發(fā)現(xiàn)燈一直很亮，并且亮度的變化不明顯；把2H鉛筆芯接在電路中移動(dòng)滑片時(shí)，發(fā)現(xiàn)燈的亮度變化很明顯，可以從不亮到很亮，但是鉛筆芯的可調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度短了點(diǎn)，當(dāng)滑片在大約為全長(zhǎng)的四分之三到全長(zhǎng)之間調(diào)節(jié)時(shí)，燈是不亮的；而把HB鉛筆芯接在電路中移動(dòng)滑片時(shí)，發(fā)現(xiàn)燈亮度的變化很明顯，而且鉛筆芯的可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，只是就算把全長(zhǎng)接入電路也沒(méi)有出現(xiàn)不亮的情況，所以覺(jué)得最適合的鉛筆芯是HB型號(hào)的。

師：你們覺(jué)得造成這種情況的原因是什么？

生：它們的電阻不同。

師：它們的電阻大小可能情況是什么？

生：R2H>RHB>R6B。

2.3 理論分析，尋找真正原因

在接下來(lái)的分組測(cè)量中，學(xué)生們測(cè)出了3根鉛筆芯的電阻大小。然后讓他們分別在這3根鉛筆芯上標(biāo)注電阻為1.7Ω的位置，并討論交流：為何在調(diào)光電路中3根鉛筆芯的調(diào)節(jié)效果不一樣，表1為學(xué)生的分析結(jié)果。

表1

學(xué)生的分析情況如下：

(1) 6B鉛筆芯的電阻可調(diào)節(jié)范圍太小(0-1.3Ω)，所以發(fā)現(xiàn)燈的亮度變化不大，但是可以看出它的調(diào)節(jié)精度很高；

(2) HB鉛筆芯的電阻可調(diào)節(jié)范圍增大不少(0-8.3Ω)，所以發(fā)現(xiàn)燈的亮度變化較大，雖然調(diào)節(jié)的精度不是很高，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)HB鉛筆芯的效果是最好的；

(3) 2H鉛筆芯的電阻可調(diào)節(jié)范圍最大(0-18.3Ω)，燈的亮度變化比較大，但調(diào)節(jié)的精度最差，雖然有16cm的調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，但是有大約四分之一的長(zhǎng)度是沒(méi)有用的，此時(shí)燈泡根本不亮。

通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，要讓“2.5V，0.3A”小燈泡發(fā)光的最小電壓約是0.5V，此時(shí)電流約為0.16A。如果電源電壓是3V，那么此時(shí)滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻大約為15.6Ω。當(dāng)把HB鉛筆芯接入電路時(shí)，因?yàn)樗淖畲箅娮铻?0Ω，所以就算把全長(zhǎng)接入電路時(shí)，燈泡也不會(huì)熄滅。把HB鉛筆芯接入電路，它的可調(diào)長(zhǎng)度最長(zhǎng)，所以學(xué)生感覺(jué)它最適合。如果把2H鉛筆芯接入電路，因?yàn)樗淖畲箅娮枋?0Ω，所以當(dāng)它的接入電阻在15.6Ω-20Ω之間時(shí)，燈泡是不亮的。因?yàn)橛羞@么一段接入電路時(shí)燈不亮，所以學(xué)生覺(jué)得這一段沒(méi)有用，是浪費(fèi)的，因此學(xué)生認(rèn)為2H鉛筆芯不合適。綜上所述，如果從調(diào)節(jié)精度上來(lái)看，HB鉛筆芯確實(shí)要比2H鉛筆芯好，但如果從燈泡亮度的變化范圍上看，2H鉛筆芯要好過(guò)HB鉛筆芯。

2.4 問(wèn)題成串，拓展學(xué)生思維

師：如果增大電源電壓，情況如何？

生：當(dāng)電源電壓增大時(shí)，對(duì)于燈泡而言額定電壓還是2.5V，需要串聯(lián)的定值電阻的阻值更大，那么在現(xiàn)有長(zhǎng)度不變的情況下，其它調(diào)節(jié)情況都是一樣的，此時(shí)6B鉛筆芯可調(diào)長(zhǎng)度更短了，所以不適合。

師：如果不規(guī)定鉛筆芯長(zhǎng)度，哪根更合適呢？

生：6B鉛筆芯，因?yàn)槠渚群芨撸梢宰専襞萘炼茸兓酶?xì)致。

師：滑動(dòng)變阻器為何不選用鉛筆芯？

學(xué)生也僅僅能說(shuō)出鉛筆芯容易斷，其它的則需要給出具體數(shù)據(jù)，并加以引導(dǎo)。

思考1：選擇一個(gè)最大電阻是20Ω的滑動(dòng)變阻器的電阻絲與2H(電阻也是20Ω)的鉛筆芯進(jìn)行長(zhǎng)度與粗細(xì)的對(duì)比，你有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生通過(guò)觀察滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)其電阻絲細(xì)且長(zhǎng)，認(rèn)為兩者的調(diào)節(jié)精度相差太大。

思考2：如果把鉛筆芯制成與電阻絲同長(zhǎng)度和同粗細(xì)，那么鉛筆芯的電阻可能是合金絲電阻的多少倍呢？

讓學(xué)生先猜想，然后給出具體數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，20Ω的滑動(dòng)變阻器的電阻絲的長(zhǎng)度約為15m，直徑約為0.65mm，橫截面積為0.332mm2；而20Ω的2H鉛筆芯長(zhǎng)度為0.175m，直徑大約為2mm，橫截面積為3.14mm2，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)如果把鉛筆芯也做成和電阻絲相同長(zhǎng)度與粗細(xì)，那么鉛筆芯的電阻大約是合金絲電阻的810倍，可見(jiàn)電阻絲的調(diào)節(jié)精度比鉛筆芯高出很多倍，這是滑動(dòng)變阻器選用合金絲的原因之一。

3 教學(xué)反思

(1) 通過(guò)“自制模擬調(diào)光燈”的實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生利用身邊的物品，不但實(shí)現(xiàn)了調(diào)光的基本功能，而且還對(duì)多個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探究，比如：選擇哪一種型號(hào)鉛筆芯調(diào)光范圍更廣，精度更高？通過(guò)鉛筆芯與滑動(dòng)變阻器的比較，讓學(xué)生有調(diào)節(jié)精度這個(gè)意識(shí)。

(2) 本節(jié)課雖然讓學(xué)生對(duì)鉛筆芯的選擇方面有了很好的認(rèn)識(shí)與理解，但是在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：用回形針作為固定滑片時(shí)與鉛筆芯接觸并不太好，會(huì)出現(xiàn)燈時(shí)亮?xí)r不亮的情況，如果換作金屬鱷魚(yú)夾夾住鉛筆芯滑動(dòng)，又會(huì)出現(xiàn)夾斷鉛筆芯或者滑動(dòng)不靈活的情況，所以未能選擇合適的物體作為滑片是本節(jié)課的遺憾。

(3) 電路故障的分析與判斷是學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)時(shí)的一個(gè)難點(diǎn)，在“自制模擬調(diào)光燈”的實(shí)踐活動(dòng)中，由于鉛筆芯特別容易折斷，所以學(xué)生操作過(guò)程中就有可能出現(xiàn)電路故障，因此在這堂課上可以增加電路故障問(wèn)題的分析與討論，以加深學(xué)生對(duì)于電路故障的認(rèn)識(shí)，并加以排除。