《导体的电阻》课堂教学实践与反思

田亮

摘 要：在信息化社会高度发达的今天，电子设备普遍应用在各个领域，小到日用的手机电脑，大到航天领域的卫星飞船，电子元件无时无刻不在起着至关重要的作用。而电阻作为最基本的电子元器件，更是无处不在，因此高中生学习“导体的电阻”也是很有意义和必要的。本节课的主要内容是通过探究实验来研究导体的电阻与哪些因素有关，并总结成公式（电阻定律）加以利用。既然是探究课，那么实验是本节课的重点内容，能否做好探究实验将直接影响学生对电阻定律能否真正理解。那么，如何设计本节课才能使学生真正对电阻定律有所认识、有所启发呢？对“导体的电阻”的课堂教学进行了一些实践与反思。

关键词：电阻定律；实验探究；铅笔；手机充电器；温度

本节课所要研究的电阻器是形状规则、质量分布均匀的理想导体，而非市面上实际出售的碳膜电阻、水泥电阻等色环电阻。我们都知道，电阻器的电阻大小取决于导体自身的属性，采用均匀导体更有利于我们进行数据分析和处理。所谓的自身属性包括导体的材料、长度、横截面积和温度等。基于此，实际选材很重要，要直观，要有一定的可测性。再者，电路的設计与操作也是很重要的，在实际的上课听课中，我发现看似简单的一节课想要上好却很难，这里面的原因值得我们反思。本人针对教材上的内容编排与讲解进行了一些思考，提出一些个人的观点与实践供大家参考。

对于本节课而言，有不少高中都会使用购置的厂家生产的电学实验仪器和器材进行授课，诸如“电阻定律演示仪”“镍铬合金电阻定律实验器”等等。名称略有不同，但基本装置相差无几。如图1所示，我们学校购置的电阻定律实验器。在一个木板上固定了5条金属丝，其中第一条是铜丝，第二条是铁丝，二者长度和粗细都相同；第三、第四和第五条是镍铬丝；第三、第四两条粗细不同，长度同；第三、第五条是粗细同，长度不同。每条金属丝的后面有截面积的标示（字母“S”），整个实验装置较长（1米左右），理论上来讲这种设备是厂家为了本节课定做的，演示效果应该不错，但是在实际授课当中我发现效果并不佳，个人觉得有以下几个方面的因素。

一、其自身材质与属性不易观察、不易分辨

首先，演示仪中的不同金属丝外观类似，可能考虑到短路问题，所以金属丝都很细，用肉眼远观难以分辨粗细的差别。而且，金属丝又是事先固定在木板上的，不好拆卸，其自身长短、粗细、材料都很难辨别真伪，只是在木板上会有它们的基本参数的标识，对于学生而言，认同感不强，接受度不高。在听老师介绍这些器材的时候往往有种被动接受的感觉。

二、电路设计实际操作不易控制、不易分析

较为常见的探究方式是采用了教材中的电路设计（如图2）。将学生电源、电建、滑动变阻器与这几根金属丝串联在一起（由于串联，电流相同，电压比就为电阻比），通过读取电压表的读数比来确定其电阻丝的阻值比，通过表格中的比例关系来确定电阻与自身属性有何正反比关系。但是在实际的上课听课中，我们发现其结果并不令人满意。有些结果甚至产生了极大的“误差”，这对后续的说明带来了难度，教师往往难以自圆其说，最后也只能用“忽略误差”一语带过。那么对于学生而言，就难以认同实验结果，对电阻定律的真实性也是心存怀疑。个人感觉，产生误差大的原因有一部分来自电压表的分次接入。这个实验中的这几条金属丝的电压是分次接入测量的，由于金属丝自身具有一定的电阻，而高中实验室中的电压表也并非理想电表，就会使得每一次电压表接入电路中不同位置时，电压表会影响总电阻，导致电压表自身会分走一定的电流，影响了金属丝自身的电流，就使得电压表的读数与金属丝实际电压并不相符。其次，在实际操作中，由于金属丝非常细，电压表与金属丝连接时，螺丝拧得过紧或者过松都会改变电压表的读数，使得实际操作难度加大，我们也发现有些课在演示实验时，电压表的读数时大时小。综上，材料自身的情况再加上实际操作不易掌控使得实验结果难以与结论相匹配，影响了最终结论的真实性，降低了课堂实验教学的权威性。

本人在上这节课的时候，综合考虑了以上的种种问题，所以并没有采用学校采购的电阻定律实验器，而是将眼光放在了日常生活中。同样，为了避免电压表的分流，考虑到电阻阻值较大，采用了电流表测量，同时也更改了实验电路设计图，得到了较好的效果，具体内容如下。

1.用铅笔芯代替金属丝增强认同感

采用铅笔芯作为研究对象主要是考虑了以下几个原因。首先，铅笔芯更加贴近同学们的日常生活，对于高中学生来说，铅笔极为普遍、触手可得，可以增强同学们的认同感，减少陌生感。其次，铅笔芯的主要成分是石墨和粘土，而石墨具有导电性，配合粘土，其电阻又不会很小，可以避免短路。再者，根据粘土与石墨的调配，我们可以得到不同型号的铅笔，丰富了素材的可选择性。学生们可以很直观地感受到材料，为后续的实验操作与结论的推导奠定了一个好的基础。如图3所示，准备了导电性稍好一些的2B铅笔和导电性稍差的HB铅笔若干（事先将铅芯两端削好露出来）。

2.用手机充电器代替学生电源

选用手机充电器作为电压的输入设备主要有两方面的考虑，首先，手机充电器来自日常生活，小巧灵活，便于携带，且每个人都使用过，可以增加学生的认同感。其次，手机充电器输出电压无需调节，其稳定的5V电压利于实验的演示，且安全易用。如图4所示，将USB线的输出端稍作修改即可用于实际操作。

3.简化电路使实验操作简洁明了

由于铅笔芯参杂了粘土，所以导致其电阻率较大，所以在实验电路的设计上，使用电阻较小的电流表就能很好地解决误差过大的问题（电流表分压可以忽略），滑动变阻器也不需要加入进来。电压表此时仅仅是作为一个验证工具，从实验中可以看得出来，每次的电压都是5V。经过这样的设计之后，实验变得更加简洁明了，如图5所示，每一次实验只需要更换铅笔芯就可以了。

首先，我们可以研究导体的电阻与其自身的长度、横截面积的关系。如图6所示，由于我们采用了恒定直流5V电压作为输入，我们只要通过将三组实验中的电流表的读数进行比值便可得知，导体的电阻与其长度成正比，与其横截面积成反比这个规律。在实际的课堂实验中，通过实验，我们得到了一组数据（图7），从中我们不难发现，在电压相同的情况下，2B铅笔芯的电阻与其自身长度成正比，与其横截面积成反比。由于我们事先采用了手机5V充电器进行实验，很好地掌控了电压保持不变这个关键量，只要观察电流就能很好地看出规律与得出结论。

其次，为了研究电阻与材料有关，我们可以选用HB铅笔芯来进行这个实验。如图8所示，通过比较得知，不同材料，其电阻也是不同的。但是这里需要注意的是，HB铅笔芯的直径与2B铅笔芯的直径稍微有点不同，使用螺旋测微器进行测量后会发现前者的直径会略小一点点。那么这里也只是定性地说明一下材料会影响导体的电阻这个事情。

4.温度实验让本节课有所外延

教材上关于温度会影响电阻的表述并没有进行实验探究，只是进行了文字说明，“金属材料的导体电阻率会随着温度的增加而增大，半导体元件的电阻率会随着温度的增加而减小”。（注：课本上关于半导体电阻的规律其实仅适用于负温度系数的半导体元件，正温度系数的半导体元件的电阻率也会随着温度的增加而增大。）

针对这个知识点我们在平时的习题中也会见到一些典型的题目，例如：当我们使用万用表测一个标称为“220V 100W”灯泡的电阻时，测量值往往只有50Ω左右。但是采用公式进行计算就会发现理论上它的电阻是484Ω，测量值约为理论值的1/10，究其原因，其实就是温度影响了电阻率，484Ω是正常发光时的电阻值，而使用万用表测量灯泡时，灯泡是不可能发光的（常用万用表通常使用9V电池），所以测量值所测的是常温下的电阻，是发热时电阻的1/10其实是符合实际情况的。由于我们采用了铅笔芯作为实验材料，其便捷性正好可以将其作为研究“温度对电阻影响的实验”的对象。如图9所示，我们将2B铅笔芯剥离出来，放于绝缘支架上，电路连接完全，先在常温下测量一次电流，然后待其稳定后，将酒精灯点燃放置在铅笔芯的下方，观察电流表的变化，我们会看到，随着铅笔芯温度的增加，电流表的示数会逐渐变大，而后我们将酒精灯熄灭，让铅笔芯冷却下来，我们也会发现电流表的示数又会逐渐变小。这个实验说明了其电阻会受温度的影响，温度越高电阻越小，温度越低电阻越大（类似于负温度系数半导体元件）。但是这里需要注意的是，不要长时间在同一地方加热铅笔芯，首先我们会闻到一股比较难闻的气味，再者铅笔芯长时间加热后会有添加剂（粘合剂）融化现象，过度加热后我们发现会有一滴一滴的类似油一样的东西滴下来，这个时候气味将越发难闻，出于健康考虑，看到现象后就应该停止加热。那么对于不同的导体来说，可以告知学生，不同类型导体的电阻受温度影响是不同的，有的会随着温度的升高而增大，而有的会随着温度的升高而减小。

通过查阅资料我们得知铅笔的笔芯是用石墨和粘土搭配高分子粘合剂按一定比例混合制成的。如“H”即英文“Hard”（硬）的词头，代表粘土，用以表示铅笔芯的硬度。“H”前面的数字越大（如6H），铅笔芯就越硬，也即笔芯中与石墨混合的粘土比例越大，导电性能越差。“B”是英文“Black”（黑）的词头，代表石墨。以“6B”为最软，石墨的比例最高，导电性能也最好。

本节课笔者通过改良实验材料和实验设计之后，个人觉得最大的变化是学生能真正参与到这个实验中去，认同感增强了，而且能从实验中真正发现现象并找出规律，从而提高知识的获取效率。通过外延的加热实验，更是让学生亲身体会到了电阻随温度变化的这一事实，既深刻又有乐趣，既丰富了知识又增长了见识！那么在处理类似的问题的时候，相信同學们也能将理论联系到实际中去。

参考文献：

[1]金南翔，朱清.“电阻率随温度变化”的两个实验[J].物理教师，1995（3）.

[2]李世民.“决定导体电阻大小的因素”实验改进[J].实验教学与仪器，2008（2）.

[3]赵清祥.《影响导体电阻大小因素》的探究式教学设计[J].中学物理，2011（7）.

[4]牛有明.《导体的电阻》教学设计[J].物理教学探讨，2014（3）.

[5]李炜伟.导体的电阻实验改进[J].中学物理教学参考，2016（1）.

编辑 赵飞飞