《電表改裝》引發(fā)的思考

陳智昌

【摘 要】基礎(chǔ)教育肩負(fù)著為建設(shè)創(chuàng)新型國家培養(yǎng)人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的偉大歷史使命。但長期以來，只要提到創(chuàng)新就是那些高深的、復(fù)雜的創(chuàng)新性思維，令人望而生畏。教師也不知從何入手，才能讓學(xué)生逐步掌握這種能力。其實(shí)，高中階段的創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)不必強(qiáng)調(diào)“無中生有”，完全可以降低為“改善變形”，可以是“一生二，二生三，三生萬物”的漸進(jìn)式培養(yǎng)；教師的啟發(fā)式提問可以讓學(xué)生慢慢領(lǐng)會(huì)創(chuàng)新的意義，通過學(xué)生深入思考問題直至解決問題達(dá)到漸悟以至頓悟，領(lǐng)略物理創(chuàng)新思維之美。本文以高中物理粵教版選修3-1中多用電表改裝為例，淺談在高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維的體會(huì)。

【關(guān)鍵詞】高中物理；電表改裝；創(chuàng)新思維；培養(yǎng)策略

一、小量程的靈敏電流計(jì)（G表）改裝為大量程的電壓表（V表）

G表不僅能測量電流，也可以通過稍加更改測量電壓。具體的方法是：由U1=I1R？弈可知，當(dāng)有電流I1通過G表時(shí)，表的兩端也有電壓，只要將顯示電流數(shù)值的表盤更換成反映表兩端電壓數(shù)值的電壓表盤，則該表就變成測量小電壓的電壓表。值得說明的是，由于U？弈=I？弈R？弈，因此，G表雖然可以直接測量電壓，但量程很小，用其直接測量大電壓時(shí)同樣需要改裝，改裝的方法可以在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生自己完成。

【案例1】如圖1所示，一個(gè)滿偏電流為I？弈、內(nèi)阻為R？弈的G表，現(xiàn)在我們要把它改裝為大量程的電壓表，應(yīng)該怎么完成？

師：由于G表測量電壓的量程太小，不能直接用G表測量高電壓，要將其改裝為大量程的電壓表，根據(jù)電流表改裝的啟發(fā)，應(yīng)怎樣完成改裝？

生：由串聯(lián)電路的特征可知，可以給G表串聯(lián)一個(gè)阻值更大的電阻R進(jìn)行分壓，讓盡可能多的電壓加在電阻R兩端，這樣就可以用G表測量大電壓，使其量程變大，如圖2所示。

師：這樣改裝后，指針指示的讀數(shù)是測量所需要的大電壓U嗎？

生：不是，指針指示的讀數(shù)仍然是加在G表的電流U1。

師：怎樣進(jìn)一步改進(jìn)能使表盤指示的讀數(shù)為大電壓U呢？

生：根據(jù)電流表改裝的經(jīng)驗(yàn)，由 知， ，U與U1是一一對應(yīng)的關(guān)系，知道U1就可以知道U，同時(shí)U與U1成正比。我們也可以再制作一個(gè)刻度盤，按照以上關(guān)系，把U的數(shù)值與U1和數(shù)值對應(yīng)標(biāo)出來，如圖3所示。則當(dāng)流過G表電流為I1時(shí)，加在G表的電壓為U1，電路中的大電壓為U；當(dāng)流過G表電流為I？弈時(shí)，加在G表的電壓為U？弈，電路中的大電壓為Um。然后按圖4把G表和R包裝成一個(gè)整體，這個(gè)整體只看到電路中的大電壓U和顯示電路大電壓的刻度盤。這樣就完整的完成大量程電壓表的改裝。

師：將量程很小的G表分別改裝成量程較大的電流表、電壓表時(shí)，用于分流和分壓的電阻有什么特征？

生：分流時(shí)電阻很小，分壓時(shí)電阻很大，因此，改裝成電流表時(shí)應(yīng)并聯(lián)小電阻，改裝成電壓表時(shí)應(yīng)串聯(lián)大電阻。

在電流表改裝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望，讓學(xué)生自己完成電壓表的改裝，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是一個(gè)巨大的促進(jìn)作用。

二、靈敏電流計(jì)（G表）改裝為直接測電阻的歐姆表（Ω表）

由以上案例可知，G表可以通過恰當(dāng)?shù)母淖兒徒M合能將其改裝為測量大電流和大電壓的電流表、電壓表，從上述改裝過程可以看到，雖然表的結(jié)構(gòu)有所改變，但基本的測量原理沒有變化，變化的是將“小”進(jìn)行了放“大”，以滿足實(shí)際的要求。那么，能否通過“更大”的改變將G表改裝成能直接測量電阻阻值的歐姆表？下面對這個(gè)問題進(jìn)行嘗試。

【案例2】如圖5所示，一個(gè)滿偏電流為I？弈的G表，現(xiàn)在要把它改裝為可以直接測電阻阻值的歐姆表，應(yīng)該怎樣做？

師：電流表的工作條件是電路中必須有電流，用G表直接與電阻連接測量電阻的阻值，電流表沒辦法工作，怎么樣才能使電流表工作？

生：可以將一個(gè)電源與G表串聯(lián)，使其能正常工作。

師：這個(gè)電源有什么要求？

生：由于G表量程很小，所以選擇的電源必須是電壓不太大的直流電源，如圖6所示（電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻分別為E、r）。

師：將電源接在G表上，測未知電阻時(shí)，怎么讀數(shù)呢？

生：利用 ，得到 ，可見，Rx與I是一一對應(yīng)關(guān)系，知道Rx就可以知道I，如圖7所示。

師：這樣改裝雖然可以測量未知電阻的阻值，但不能直接從刻度盤上讀出阻值，改裝還不夠完善，怎樣才能直接得到電阻的阻值？

生：根據(jù)電流表改裝的方法，可以嘗試再制作一個(gè)有電阻標(biāo)志的歐姆刻度盤，利用公式 ，分別計(jì)算出每個(gè)電流對應(yīng)的電阻，再將計(jì)算的結(jié)果標(biāo)記出來，就可以獲得新制作的歐姆刻度盤。

師：這個(gè)想法很好，但要得到方便讀數(shù)的歐姆刻度盤，還必須要進(jìn)行一些必要的設(shè)置。

師：測量電阻的阻值大小范圍是0≤R<∞，如果測量電阻的阻值為零，就設(shè)置此時(shí)的電流達(dá)到滿偏I(xiàn)？弈；如果測量電阻的阻值為∞（電路開路），就設(shè)置此時(shí)的電流為零，按照這種設(shè)置，歐姆刻度盤與電流刻度盤有怎樣的對應(yīng)關(guān)系？

生：刻度盤（共用）電流刻度為零處（最左邊處）電阻刻度為∞，電流刻度為滿偏I(xiàn)？弈處（最右邊處）電阻刻度為0。

師：當(dāng)測量電阻的阻值為零時(shí)，不能確保電路中的電流一定達(dá)到滿偏I(xiàn)？弈，怎樣才能使此時(shí)電路中的電流滿偏I(xiàn)？弈？

生：可以在G表電路中串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖8所示。

師：按照這種設(shè)置，每次測量電阻阻值時(shí)，首先必須進(jìn)行什么工作？

生：測量電阻前，將外接電路短路，通過調(diào)節(jié)R使電路中的電流達(dá)滿偏I(xiàn)？弈，再進(jìn)行測量。

師：非常正確，在測量電阻的實(shí)驗(yàn)中，這一步叫歐姆凋零，滑動(dòng)變阻器R稱為調(diào)零電路。

師：改裝后測量電阻的歐姆表其量程是0-∞，可以測量所有電阻的阻值，最后把G表、滑動(dòng)變阻器、電源全部包裝在一起，制作出與電流相對應(yīng)的電阻刻度盤，就可以制作成一個(gè)直接測電阻而且能讀數(shù)的歐姆表了，理論上歐姆表可以用于測量任何電阻的阻值。

師：測量電阻的歐姆表刻度盤上的刻度是均勻的嗎？

生：由 知，歐姆表刻度盤上的刻度是不均勻的，基本特點(diǎn)是，第一，小電阻部分刻度比較疏，大電阻部分刻度比較密；第二，靠近中間部分（■～■ 滿偏之間）相對均勻一些。

師：為了使測量電阻的結(jié)果更加精確，一般期望指針指在什么位置效果會(huì)更好？

生：刻度分布相對均勻的中間附近位置。

師：由于中間附近刻度的區(qū)域有限，在測量電阻阻值時(shí)，對阻值差異較大的電阻，要想使測量時(shí)均可以讓指針指在中間附近刻度，有什么方法可以做到？

生：象改裝電流、電壓表一樣，可以通過設(shè)置不同的量程來實(shí)現(xiàn)。

師：想法是正確的，歐姆表中這種設(shè)置稱為倍率，由于這個(gè)問題比較復(fù)雜，以下將歐姆表中設(shè)置不同倍率的方法介紹一下。

師：所謂倍率的設(shè)置是這樣的，假設(shè)歐姆表表盤上中間刻度為20Ω，如果用該表測量兩個(gè)阻值分別為2000Ω、20000Ω的電阻，讓指針均指示在20Ω附近（準(zhǔn)確性最高），就必須分別設(shè)置“×100”、“×1000”（“×1000”也稱為“×1k”）兩個(gè)倍率，當(dāng)使用倍率“×100”擋時(shí)，若指針指在20Ω附近位置，則此時(shí)測量電阻的阻值約為Rx=20×100Ω=2000Ω；當(dāng)使用倍率“×1k”擋時(shí)，若指針指在20Ω附近位置，則此時(shí)測量電阻的阻值約為Rx=20×1kΩ=20kΩ。

在歐姆表改裝的問題上，學(xué)生遇到困難，教師針對這些困難恰當(dāng)進(jìn)行引導(dǎo)，使學(xué)生在創(chuàng)新思維的培養(yǎng)上逐漸進(jìn)入正軌。

學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)過程是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，要求教師抓住一切可能的機(jī)遇用不同的方法向?qū)W生滲透創(chuàng)新意識，課堂教學(xué)中啟發(fā)式提問應(yīng)是一個(gè)不錯(cuò)的方法，它既可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，可以在課堂教學(xué)中進(jìn)行一下嘗試。