“原”實(shí)驗(yàn)之“理” “驗(yàn)”原理之“實(shí)”
——例談電學(xué)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)應(yīng)對策略

陳立其

(江蘇省南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005)

高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)一直是學(xué)生學(xué)習(xí)中非常突出的難點(diǎn)問題之一.在教學(xué)過程中，教師覺得電學(xué)實(shí)驗(yàn)難教，學(xué)生反映電學(xué)實(shí)驗(yàn)難學(xué)，特別是從高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查結(jié)果看，學(xué)生的錯誤是五花八門，而且是經(jīng)常性反復(fù)地犯同一類型錯誤，教師反復(fù)講解和學(xué)生重復(fù)訓(xùn)練，效果甚微.本文意在通過學(xué)生常見錯誤現(xiàn)象分析，找到形成教學(xué)難點(diǎn)的根本原因，通過課堂教學(xué)實(shí)例來示范解決.

人教版高中教材選修3-1“恒定電流”一章中電學(xué)實(shí)驗(yàn)共有4個.它們分別是(1) 導(dǎo)體電阻率的測量；(2) 描繪小燈泡伏安特性曲線；(3) 電池電動勢和內(nèi)電阻的測量；(4) 練習(xí)使用多用電表.

通常情況是，學(xué)生在單個實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時，靠記憶和訓(xùn)練還能大致掌握每個實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)，一旦對電學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合性考查，學(xué)生便不知所措、漏洞百出.仔細(xì)分析學(xué)生困難，大致表現(xiàn)為(1) 器材和量程選擇難；(2) 電路連接的選擇難；(3) 器材使用和讀數(shù)難；(4) 實(shí)驗(yàn)誤差的分析難；(5) 實(shí)驗(yàn)原理的理解難.

通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生各種錯誤表象，可以概括歸納為兩個方面，一是對實(shí)驗(yàn)原理理解不透徹，這里說的“原理”也包含實(shí)驗(yàn)器材的工作原理、電路連接的知識以及實(shí)驗(yàn)誤差分析的理論等；二是實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)太少.很多學(xué)生在做分組實(shí)驗(yàn)時，照著實(shí)驗(yàn)步驟走一下流程，不去思考和討論支撐實(shí)驗(yàn)的理論知識，等到面對實(shí)驗(yàn)問題考查時，又沒有實(shí)驗(yàn)條件動手，出現(xiàn)了“做時沒去思考，思考時沒法做”的現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)原理兩張皮問題是電學(xué)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)形成的主要原因.筆者根據(jù)以上分析，在教學(xué)中精心設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)動手操作過程中有體會、有疑問、有發(fā)現(xiàn)、有收獲，在實(shí)驗(yàn)中理解原理.同時也讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)原理的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，依據(jù)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，讓原理指導(dǎo)實(shí)驗(yàn).筆者通過自己的兩節(jié)課堂實(shí)際教學(xué)操作來詮釋“掌握原理”和“動手實(shí)驗(yàn)”的相互促進(jìn)關(guān)系的有效策略.

1 “原”實(shí)驗(yàn)之“理”——課堂實(shí)例“伏安法測電阻”

“原”在這里有“追源”、“溯源”之意，重在通過實(shí)驗(yàn)理解原理.實(shí)驗(yàn)是手段，也是目的；原理是依據(jù)，也是結(jié)論.動手實(shí)驗(yàn)，既要提高實(shí)驗(yàn)操作能力，還要通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題，運(yùn)用學(xué)習(xí)的知識分析解決實(shí)驗(yàn)問題，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)和理解實(shí)驗(yàn)原理.

教學(xué)實(shí)例1：伏安法測電阻.

(1) 器材準(zhǔn)備.

提供器材有： 電壓表V(0-3-15 V)，電流表A1(0-0.6-3 A)，電流表A2(0-20 mA)，電流表A3(0-300 μA)，1.5 V干電池，導(dǎo)線，開關(guān)，每組3個色環(huán)電阻(阻值沒有給學(xué)生)：R1=20 kΩ，R2=0.2 Ω，R3=1000 Ω.

(2) 實(shí)驗(yàn)要求.

① 學(xué)生兩人一組，每組學(xué)生利用提供的色環(huán)電阻讀數(shù)規(guī)則，讀出手頭幾個色環(huán)電阻的電阻值；② 利用手頭實(shí)驗(yàn)器材來測量這幾個電阻的阻值.

學(xué)生利用色環(huán)讀數(shù)規(guī)則，很快得到3個電阻分別是20 kΩ，0.2 Ω，1000 Ω.

(3) 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案.

實(shí)驗(yàn)原理是歐姆定律.根據(jù)提供的器材和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，大家都選擇了伏安法測電阻.

(4) 器材選擇.

電壓表只有1只，量程分別是3 V和15 V，電流表的選擇要學(xué)生自己完成.

師：我們選擇電表時，應(yīng)該注意什么問題呢？

生：為了減少讀數(shù)誤差，讀數(shù)不能太小，也不能超過量程.

師：我們測量3個不同電阻需要選擇哪個電流表？

生：用歐姆定律計(jì)算電阻在3 V和15 V電壓下的電流，就可以選擇電流表了.

給學(xué)生討論時間，小組回答選擇結(jié)果.

① 待測電阻R1=20 kΩ.

所以測量R1時，電壓表選擇3 V量程，電流表選擇A3，300 μA量程的.

② 待測電阻R2=0.2 Ω.

超過了電流表的最大量程3 A.

所以測量R2時，電壓表選擇3 V量程，電流表選擇A1，0.6 A擋.

(電壓表只能選3 V擋位，因?yàn)槭艿诫娏髯畲笾档南拗疲娫粗挥?節(jié)干電池)

③ 待測電阻R3=1000 Ω.

所以測量R3時，電壓表選擇15 V量程，電流表選擇A2，20 mA擋.

點(diǎn)評：在實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)需要，學(xué)生通過物理知識解決了器材和量程選擇的難點(diǎn)問題，既增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ旨由盍藢υ淼睦斫?

(5) 電路選擇.

圖1

因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)本節(jié)課時，學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)過內(nèi)接法和外接法的誤差分析等知識，所以，有的學(xué)生用了內(nèi)接法，有的學(xué)生使用了外接法(如圖1所示).

(6) 學(xué)生實(shí)驗(yàn).

學(xué)生動手做實(shí)驗(yàn)，待學(xué)生完成數(shù)據(jù)記錄和計(jì)算后，教師請學(xué)生把數(shù)據(jù)填到表格中(見表1).

表1

(7) 分析誤差規(guī)律.

師：凡是測量，都有誤差.請大家分析誤差有規(guī)律嗎？

生：安培表內(nèi)接時，測量值偏大；安培表外接時，測量值偏小.

師：我們平時把伏安法測量產(chǎn)生的誤差簡單歸納為“大內(nèi)小外”.

師：誤差不可避免，我們是否可以減小誤差呢？

生：我們發(fā)現(xiàn)測量大電阻R1=20 kΩ用外接法誤差大，測量小電阻R2=0.2 Ω用內(nèi)接法誤差大.是不是大電阻用內(nèi)接法，小電阻用外接法誤差小？

師：是啊.這也是“大內(nèi)小外”的另一種理解.我們是不是可以這樣說，安培表內(nèi)接法測量值偏大，適合測量大電阻；安培表外接法測量值偏小，適合測量小電阻.

點(diǎn)評：伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)誤差的規(guī)律是學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中自己發(fā)現(xiàn)的，更容易激發(fā)學(xué)生探究理論依據(jù)的學(xué)習(xí)動力.

(8) 分析誤差來源.

師：我們通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到了“大內(nèi)小外”實(shí)驗(yàn)誤差的結(jié)果.大家思考一下，為什么會有這樣“大內(nèi)小外”的誤差呢？

生：安培表內(nèi)接法.

所以，安培表內(nèi)接法測量值偏大.又因?yàn)椋才啾韮?nèi)阻比較小，所以測量大電阻時，串聯(lián)的安排表內(nèi)阻引起的相對誤差就小.

生：安培表外接法.

所以，安培表外接法測量值偏小.同樣，因?yàn)榉乇韮?nèi)阻比較大，當(dāng)測量小電阻時，并聯(lián)的伏特表內(nèi)阻引起的誤差就比較小.

點(diǎn)評：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了誤差規(guī)律，利用物理知識自主討論，論證了實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的物理學(xué)的原理，實(shí)現(xiàn)了“驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)之“理”.學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作，理解原理，有效地解決了儀器選擇、電路選擇和誤差分析的難點(diǎn)問題.

2 “驗(yàn)”原理之“實(shí)”——課堂實(shí)例“測量微安表的內(nèi)阻”

教師在黑板上講實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在紙上做實(shí)驗(yàn)，都是重視實(shí)驗(yàn)原理之“理”.這種做法忽視了實(shí)驗(yàn)原理之“實(shí)”.實(shí)驗(yàn)原理必須通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，才能更好地被理解和掌握.第2個課堂實(shí)例重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)用實(shí)驗(yàn)原理來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作的策略.

教學(xué)實(shí)例2：測量微安表的內(nèi)阻.

(1) 實(shí)驗(yàn)整體安排.

本實(shí)驗(yàn)是在課本上4個電學(xué)實(shí)驗(yàn)都完成的前提下安排的電學(xué)復(fù)習(xí)課.教師先提前一周布置任務(wù).

① 實(shí)驗(yàn)任務(wù)：測量1只微安表的內(nèi)阻，微安表量程200 μA，內(nèi)阻幾千歐.

② 提供器材(每種器材數(shù)量不限)：待測微安表，電阻箱(0-99999 Ω)，多用電表型號modelM78，電壓表(0-3 V-15 V)，靈敏電流計(jì)(300 μA)，學(xué)生電源(3 V，4 A)，干電池，開關(guān)，導(dǎo)線.

③ 實(shí)驗(yàn)要求：每4人一組，每組提出不少于3種測量方案，列出需要器材清單，畫出電路圖，寫出實(shí)驗(yàn)步驟，繪制數(shù)據(jù)記錄表格.一周后到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn).

(2) 實(shí)驗(yàn)操作.

收集到相對集中的實(shí)驗(yàn)方案有：① 歐姆表法；② 伏安表法； ③ 電橋法；④ 替代法；⑤ 半偏法.由于時間關(guān)系，本節(jié)課要求學(xué)生完成前3個實(shí)驗(yàn)方案，并對3種方案進(jìn)行比較討論.如果小組時間充裕，可以嘗試其他方案.

(3) 實(shí)驗(yàn)交流.

師：大家都嘗試了3個測量方案，你們遇到了哪些問題？是如何解決的？對實(shí)驗(yàn)方案有什么新的體會？都可以說說看.

① 歐姆表法.

生A：我們小組用歐姆表測量，用×10擋時讀數(shù)在 300～400之間；用×1 k擋時，讀數(shù)在2～3之間，乘上倍率，電阻值在2 k到4 k之間，誤差太大.

師：有小組解決這個問題了嗎？

圖2

生B：因?yàn)檫@個歐姆表沒有×100擋(如圖2所示)，我們也是用×1 k擋測量.我們先給微安表串聯(lián)上一個電阻箱，調(diào)節(jié)電阻箱，使歐姆表指針在中值附近，再用測量值減去電阻箱數(shù)值，得到微安表內(nèi)阻為3100 Ω.

生C：我們也是這樣做的.為什么阻值只有2800 Ω呢？

師：大家還有哪些數(shù)值呢？

學(xué)生不同組的測量值相差較大，最小值是2600 Ω，最大值是3200 Ω.

師：請大家對歐姆表法測量電阻做個評價.

生C：測量誤差較大，只能用來粗測電阻值.

點(diǎn)評： 換擋調(diào)零，讀數(shù)時指針盡量在表頭中間，讀數(shù)乘上倍率才是測量值，我們平時經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的這些實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，學(xué)生們在實(shí)驗(yàn)中都遇到了，理解自然更深刻.

圖3

② 伏安法.

生E：因?yàn)槲覀儗W(xué)習(xí)過安培表測量電阻的“大內(nèi)小外”的誤差結(jié)論，考慮歐姆表粗測到微安表內(nèi)阻在3000 Ω左右，屬于大電阻，所以我們用如圖3所示的安培表內(nèi)接法，因?yàn)榻處煕]有提供安培表，我們就用靈敏電流計(jì)代替了安培表.但是，當(dāng)我們測量出電阻值是5800 Ω時，我們覺得這里使用內(nèi)接法有問題.

師：你們討論過為什么會這樣？

生E：我們討論發(fā)現(xiàn)，這里靈敏電流計(jì)內(nèi)阻應(yīng)該也很大，待測電阻和靈敏電流計(jì)電阻相比不是大電阻，不符合“大內(nèi)小外”的結(jié)論；如果用外接法也不好，因?yàn)榇郎y電阻在這里肯定不是小電阻.我們也用安培表外接法測量了，測量值為2400 Ω，誤差太大了.

師：還有同學(xué)解決這個問題了嗎？

生F:我們組開始也遇到了類似的問題.我們后來是用另外一只相同的微安表代替了靈敏電流計(jì)，測量出的阻值除以2就是微安表的內(nèi)阻，測量值得到2900 Ω.

生A：我們后來討論發(fā)現(xiàn)，就用一只電壓表和一只微安表就可以了，待測微安表就能測出電流.這樣，我們測量的電阻是2900 Ω.

師：大家對伏安法測量方案有什么看法？

生E：“大內(nèi)小外”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不能死記硬背，待測電阻的大小是相對于電壓表內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻而言的.如果待測電阻和提供的電表不符合簡單套用“大內(nèi)小外”的結(jié)論時，我們需要運(yùn)用學(xué)過的電路知識，巧妙靈活地使用伏安法.

生F： 我補(bǔ)充一點(diǎn)，伏安法測電阻有系統(tǒng)誤差，但是它的誤差確實(shí)比歐姆表法小得多.

③ 電橋法.

師：這種測量方法我們在習(xí)題中學(xué)習(xí)過.我們先請一組同學(xué)介紹一下實(shí)驗(yàn)原理.

圖4

生G：如圖4電路，當(dāng)電阻R1∶R2=Rx∶R3時，靈敏電流計(jì)中的電流為0.這種方法沒有系統(tǒng)誤差，原理也好理解.

生G:我們動手連接電路時，發(fā)現(xiàn)電路連接很復(fù)雜，我們4個人用了十幾min，電路都沒有連接好.實(shí)驗(yàn)沒有做.

生H：原理圖看著簡單，實(shí)物電路連接比較困難.我們4個人討論，還請教了老師，后來成功了.我們用3個電阻箱分別當(dāng)做R1、R2和R3.計(jì)算出電阻值為3100 Ω.我們還改變幾次電阻箱的電阻，得到的結(jié)果幾乎一致.

生I：我們也花了好長時間才連接好電路.我們小組要補(bǔ)充兩點(diǎn)：一個是靈敏電流計(jì)支路上最好要加一個開關(guān)，保護(hù)電流計(jì)，同時注意指針不要過偏；第二個是要注意，微安表指針也很容易過偏.所以大家調(diào)整電阻箱后要合上開關(guān)前，一定要用試觸法看看兩個表不要超過量程.

師：看來真是“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”啊！

點(diǎn)評：這個實(shí)驗(yàn)對學(xué)生動手能力考查最充分.通過這個實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生更加充分認(rèn)識到動手做實(shí)驗(yàn)的重要性.

④ 實(shí)驗(yàn)方案比較.

師：由于課堂時間限制，我們主要動手操作了3種測量方案，還有同學(xué)提出的其他測量方法，今天來不及實(shí)踐了.大家就這3種方案，說說它們的特點(diǎn).

生C：歐姆表測電阻，操作簡單，偶然誤差大，適用于對測量精度要求不高情況的測量.

生H：伏安法測電阻，有系統(tǒng)誤差，只要我們電路使用合理，測量誤差比較小.

生A：電橋法測電阻，無系統(tǒng)誤差，測量精度高，適合對電阻測量要求比較高的情況下使用，這種方法電路連接復(fù)雜.

點(diǎn)評：測量微安表內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生是在理論指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)踐，學(xué)生收獲更多的是在實(shí)踐中檢驗(yàn)原理和理解原理，理解動手實(shí)驗(yàn)對于掌握原理的重要性.

3 結(jié)束語

在進(jìn)行“恒定電流”章節(jié)教學(xué)時，教師要有實(shí)驗(yàn)意識，重視電學(xué)知識的實(shí)驗(yàn)來源.例如在歐姆定律、電阻定律和焦耳定律的教學(xué)時，要多做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會物理知識是來源于實(shí)驗(yàn)，同時讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中也和教師一起經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程，讓概念和規(guī)律教學(xué)課能夠達(dá)到“原”實(shí)驗(yàn)之“理”的效果.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，教師更要引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，理解儀表工作原理，掌握實(shí)驗(yàn)誤差的理論分析等.在實(shí)驗(yàn)原理的指導(dǎo)下做實(shí)驗(yàn)，帶著問題做實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中去驗(yàn)證原理，在實(shí)驗(yàn)中去理解和掌握原理，真正做到“驗(yàn)”原理之“實(shí)”.教師要把實(shí)驗(yàn)教學(xué)和物理概念、規(guī)律教學(xué)有機(jī)融通，才能有效突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)問題.

當(dāng)然，“原”實(shí)驗(yàn)之“理”和“驗(yàn)”原理之“實(shí)”也充分體現(xiàn)了辯證唯物主義認(rèn)識論思想.我們學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，也應(yīng)該像科學(xué)家們科研活動一樣，要符合認(rèn)識的規(guī)律，要在科學(xué)理論的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)踐活動，提高實(shí)踐活動有效性，還要在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，檢驗(yàn)和理解科學(xué)理論，全面實(shí)現(xiàn)個人科學(xué)素養(yǎng)的提升.