学以致用导向的实验设计——以电表的改装为例

盛天霖

随着课程改革的不断深入,实验教学的重要性逐步得到加强,但总体而言实验教学相对薄弱。中学物理实验教学中常见的问题有以下两类:第一,存在着以讲代做、以书面做代替实际做的现象,以教师讲解与视频演示为主的接受性学习和应对习题的逻辑演练;第二,实验教学表象化,学生进行实验以模仿为主,没有实际的探究和分析过程,只进行实验操作的训练而非利用实验进行探究。因此,为了提升实验教学的有效性,教师在实验教学设计过程中,要注重实际问题的设置和必备知识的讨论及传递,转变为解题而学的观念,让学生在任务中为了解决实际问题而主动地学习,从而引导有效的探究过程,让学生积极参与知识发生发展和应用的全过程。下面就以电表的改装为例,从四个方面来设计实验教学。

一、 真实的实验情境

教师从学以致用的角度出发,在现实生活中寻找有研究价值、需要一定的知识学习、匹配教学目标的实际问题,并将其转化为探究任务。学生通过完成这个任务,让在课程中所学的知识和掌握的技能,不仅仅只是用于解决课堂中的问题,更能用于解决将来生活和工作中的实际问题。

(一)测量定值电阻的精确值

生活中使用到的各类电器,其电路板中有形态各异的电阻,其中部分是圆柱形的定值电阻。因此,可以通过测量这类定值电阻的阻值来排查电器故障的原因,而此类电阻阻值一般较大。以此为情境,教师以“测量电器中电阻阻值”为任务,让学生自主选择器材、设计电路,来测量一个阻值约 1 000 Ω 的定值电阻的精确值。

(二)电表的量程不够

出于用电安全的考虑,器材仅提供2节干电池作为电源,常见的3 V/15 V量程的电压表、0.6 A/3 A 量程的电流表、0.3 mA量程的灵敏电流计、滑动变阻器、电阻箱、开关、导线若干。

基于以上器材,学生在设计电路过程中,很快能够发现没有合适的电流表。为了解决这一问题,教师引导学生开展小组讨论,让学生带着问题和任务进入求知研讨的环节。

二、 真切的求知研讨

在学习第一课时的“串联电路和并联电路”的基础上,学生小组讨论后,提出可以利用串并联电路的特点对灵敏电流计进行改装,扩大其量程。

在进行改装之前,要首先理解被改装表头的基本原理和结构,这样才能够设计出合理的改装方案,结合教材上的示意图进行理解。

图1拆解后即是实验中常用的磁电式电流表的结构,其依据的原理是通电线圈在磁场中受安培力而转动。磁电式电流表基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈。线圈在磁场中受力的情况如图2所示。

图1 磁电式电流表

图2 通电线圈在安培力的作用下发生转动

当线圈中通过电流时,线圈各部分通电导线均受到安培力的作用。由左手定则可以判定,主要因为线圈左右两边受到的安培力方向相反,所以安装在轴上的线圈就有顺时针转动的趋势。线圈转动时,图1中的螺旋弹簧受力,开始发生形变,以反抗线圈的转动。

电流越大,安培力越大,螺旋弹簧的形变也就越大,线圈所带动的指针的偏转角度也越大,达到新的平衡。所以,从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小。

从前面的分析可知,安培力总与磁感应强度的方向垂直。电流表的两磁极装有极靴,极靴中间还有一个用软铁制成的圆柱。这样一来,极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向,如图3。

图3 极靴和铁质圆柱使磁场沿半径方向

无论线圈转到何种平衡位置,其平面都与磁感线平行,线圈左右两边所处的磁感应强度的大小相等。线圈中的电流方向改变时,安培力的方向随之改变,指针的偏转方向也随之改变。所以,根据指针的偏转方向,可以知道被测电流的方向。磁电式电流表的优点是灵敏度高,可以测出很弱的电流;缺点是线圈的导线很细,允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)。

(一)改装原理

图4 电流表改装等效图

(二)改后等效

(三)刻度修正

在投入使用之前,表盘上的刻度仍然是原始刻度,在改装后其表盘刻度读数应代表新电流表的读数,因此,需要对刻度进行重构。在重构的过程中有以下两个问题需要解决:一是满偏刻度是多少;二是表盘刻度是否是均匀的。

针对第一个问题,当灵敏电流计满偏0.3 mA时,根据U=Ug=R1I1得I1=2.7 mA,又因I=Ig+I1,故灵敏电流计满偏时对应新电流表的3 mA刻度。

(四)拆解验证

在完成电表改装的各项理论推导后,教师让学生自行动手拆解每组桌上提供的电流表(如图5),并根据实物图作出电路图。通过与实际出厂电表的对比,学生发现电流表内部结构确实是不同的并联形式对应不同的量程,印证了学生的改装方案,从而使学生获得了研究正确的成就感,同时又给学生亲手改装电表留下了期待。

图5 电流表拆解图

学生在面对实际问题时,储备的知识体系并不完备,所以需要通过预习、小组讨论、教师讲授等方式进行补充,但在具体的实验理论设计部分,要交给学生自行设计。在学生将串并联的具体知识应用到实际问题的过程中,既有团队合作讨论的思维碰撞,又能够独立进行定量的计算推演。当学生设计出初步成果时,教师适时地展示半成品或已验证的成品,让学生能够有实物的印证,极大地增强了学生自己动手解决问题的积极性和信心。

三、 真实的问题解决

(一)表头内阻

学生要进行改装测量,必须要准确测量表头电阻Rg,但是由于表头电阻Rg并不是很大,Ig很小。在实际测量中,因多用电表表内电池电压过高,无法直接测量表头的阻值,而且本次准备的电压表和电流表皆因量程过大而不能用于伏安法的测量。因此,采用半偏法或替代法进行测量才是比较可行的选择。

分压半偏法:测量原理如图6所示,为了保护表头,在表头支路串联入一只定值电阻R0,当被测电流计接在电路中时,电阻箱阻值调为R=0 Ω。从a开始调节滑动变阻器,使表头满偏。保持滑动变阻器滑块不动,电阻箱作为分压电阻,改变电阻值即改变分压程度,当电流计指针指示到中间值,即电阻箱阻值与待测电流计阻值相等,Rg=R-R0。在多次测量求平均的基础上,得到了表头内阻Rg,进而使学生能够根据理论计算进行实际改装。

图6 半偏法测量原理图

(二)误差校对

由于分压半偏法在测量表头内阻时存在系统误差,因而用此值进行改装后的电流表必然会造成误差,所以在使用电表前需要对其进行校准。电表的校准实际上是通过与标准表的比较来判断改装是否成功。直接的方法就是用两者测量同一电压或电流,观察两者的示数是否相同。为了更好地比较,往往需要进行逐格校对,所以需要使用分压式电路来进行控制,校准电路如图7所示。

图7 误差校对电路图

用多用电表电流挡作为标准表,有标准表A0进行对照后,学生发现可以直接调整电阻箱R的阻值来影响表头的示数。当学生将R调大后,表头示数与标准表偏离更大,因此学生在调整降低R的阻值过程中,能够将改装电表的示数校准到与标准表一致。接着让学生以小组形式讨论研究这一现象形成的原因。通过分析和讨论使学生能够更进一步地理解表头本质上是一个电阻,但是能够显示流过自身的电流大小,所以根据实验的需要,我们能够通过串并联的改装来制作出所需量程的电表。

(三)测量方案

根据改装后电流表和电压表内阻参数,为了测量数据覆盖范围广,同时减小测量的系统误差,选取分压内接法,对待测的定值电阻RX进行测量。其中控制电路和测量电路的选取可由教师提供相应资料(如图8),交给学生小组自行设计伏安法测电阻的电路图。

图8 限流式和分压式对比图

学生在前两次分压测量的实验中,已经对分压电路十分熟悉。在正式进行实验前,仍然要注意提醒学生分压接法在实验开始前滑动变阻器滑块的位置,并在实验结束后断开开关,让学生明确如何保证电路中各仪器的安全。

在真实的实验过程中,蕴含大量的实际问题。教师在进行实验备课过程中能够发现诸多的实际问题,选择适当的问题作为活动契机或教学内容,有利于教学目标的达成,能够有效提升学生的实验思维能力和创新能力。在内阻测量环节,内阻测量的方案众多,不需要一一为学生介绍,而是要让学生注意被测对象的特点,根据其特点分析测量方法,避免盲目测量导致的器材损坏。在校准调节环节,因为电阻箱的存在,让学生能够便捷地修改并联电阻,在调整并联电阻过程中,发现标准表读数也同步发生变化,两者示数有明显的相关性,这便是分析的切入点,也能够让学生对电表本质的理解更加深刻。

四、 现实的作用分析

(一)等效思维

学生在计算改装后电表内阻时,将其总电阻等效为单个电阻的阻值;在校准环节,学生认识到表头可以等效为一个有电流示数的电阻;在测量环节,学生能通过理论分析发现电阻测量值其实是等效电阻值,即待测电阻与电流表的串联值。通过多次的体验,教师也有意识地让学生去发现和寻找等效,使学生体会到等效思维能够简化问题,理清思路,从而高效地解决实际问题。

(二)电学实验及电相关的操作注意点

通过对分压电路滑动变阻器初始位置的分析,加强学生对电路中元件的保护意识,注重观察元件的最大电压和电流,防止损坏。在实验的具体操作过程中,实验结束后开关一定要断开,并且在一些测量调整过程中也需要回避带电操作。这些操作规范不仅仅是为了实验器材的安全和实验数据的准确,也使学生在生活中使用电器时能养成注意安全规范的习惯。

(三)多用电表的结构

通过对电流表和电压表的拆解,验证了学生改装电表的方案,因此如果需要不同量程的电表,只需要调整串并联电阻的阻值即可。教师可将设计多用电表电压电流挡的任务作为课后探究活动,让学生从电路图设计出发,完成由设计到改装的全过程,并对普通实验电路进行尝试测量。

(四)实际的体验和探究

学生在探究过程中,能够用已有的知识,经过讨论分析、自主设计,配合教师简单的技术指导,完成理论上的推演。在拆解电表的验证后,学生可以体验到探究的乐趣与成功应用知识的成就感。学生是实验的主体,教师在设计实验时既要从学生已有的知识水平出发,又要有一定难度,让学生充分参与整个实验过程,让学生能够体验到一定的正向反馈。学生在正向反馈中,更加愿意深入实验中去,这样能够充分拓展学生的思维,培养学生独立解决问题的能力和实践能力。

实验结束后,教师指导学生将设计实验的过程和体会以科技论文的形式记录下来,同时为今后的探究实验活动打下良好的基础,在多次实践中不断优化探究方法和实验技巧。