多用電表測量二極管阻值的變化及實驗教學(xué)反思①

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210000)

1 問題的提出

1.1 教材中對于問題的描述

在人教版高中物理選修3-1第二章第八節(jié)“多用電表的原理”中,介紹了利用多用電表的歐姆擋來直接測量電阻的原理;在第九節(jié)“實驗:練習(xí)使用多用電表”中,安排了測量二極管正反向電阻的相關(guān)實驗,以驗證二極管的單向?qū)щ娦?。同時,在腳注部分,教材說明了對于使用不同歐姆擋測量同一二極管的阻值會相差很多這一現(xiàn)象。但對于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因,教材中的解釋僅為“二極管是非線性原件,它的阻值與通過電流的大小有關(guān)”,其著重點為判斷二極管的好壞,以及區(qū)分其正負極,并說明了“讀出的電阻數(shù)值沒有實際意義”。如果不通過實驗,學(xué)生很容易忽略這一問題,教師也可能像教材一樣對這一內(nèi)容一筆帶過。

1.2 實驗中的黑箱問題

在教材的“問題與練習(xí)”部分,包括一些競賽類的實驗中,都設(shè)有電學(xué)黑箱實驗,使用多用電表探究黑箱內(nèi)的電學(xué)元件。有的黑箱中放置了二極管,學(xué)生通過使用多用電表的歐姆擋,利用紅黑表筆進行正反向的測量,可以得知接線柱之間二極管的存在及其擺放方向。有的學(xué)生會在實驗之余想要測量出二極管的正向電阻,如果用歐姆表的不同擋位來進行測量,就會發(fā)現(xiàn)阻值并不相同,進而引發(fā)進一步的探究。

以MF47型多用電表為例,測量電學(xué)元件黑箱中二極管的正向電阻阻值如表1所示。由此可以清楚地看出,用不同歐姆擋測出的阻值確實有很大的差別。

表1

2 理論分析

2.1 多用電表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多用電表歐姆擋內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，當改變擋位時,電表內(nèi)部電池的電動勢沒有改變,但多用電表的內(nèi)阻值發(fā)生了很大的變化。[1]由于各擋位的內(nèi)阻值等于中值電阻(即歐姆表盤的中間刻度值)，MF47型多用電表的×1擋的內(nèi)阻為16.5Ω,×10擋的內(nèi)阻為165Ω,而×100擋的內(nèi)阻為1650Ω……可見,以10倍的倍率改變擋位時,其內(nèi)阻也在以10倍的倍率改變。

2.2 二極管的伏安特性

二極管為非線性元件,其正向電阻大小與通過的電流大小有關(guān),并非為一定值,即與加在其兩端的電壓大小有著直接的關(guān)系。以硅管為例,其加正向電壓時的伏安特性曲線如圖2所示。當加于在其兩端的正向電壓小于0.5V時,二極管表現(xiàn)出很大的電阻,并且電阻值隨著電壓的升高而緩慢減小;當所加正向電壓大于0.5V時,二極管的電阻會迅速減小。

圖1

圖2

3 實驗測量與結(jié)果分析

將調(diào)至歐姆擋的多用電表看作電源,其電動勢為一節(jié)干電池的電動勢,內(nèi)阻由電池的內(nèi)阻r和表內(nèi)串、并聯(lián)的電阻及表頭的內(nèi)阻r0組成。將多用電表接入帶有滑動變阻器的電路中,在不同量程下,測量得到電源的I-U特性曲線如圖3所示。

圖3

圖4

由圖3可知,當改變擋位時,多用電表相當于一個內(nèi)阻在改變的電源,選擇擋位的倍率越大,其內(nèi)阻就越大,用其來測量同一個電學(xué)元件時,加在其兩端的電壓就會發(fā)生改變。若待測元件為線性元件,其阻值為定值,那么改變擋位對測量結(jié)果不會產(chǎn)生影響。但由于二極管為非線性元件,電阻并非定值,就會出現(xiàn)用不同擋位時所測阻值不同的現(xiàn)象。通過圖像不難發(fā)現(xiàn),當使用×1擋時,多用電表歐姆擋的內(nèi)阻較小,測量二極管時其紅、黑表筆之間的輸出電壓較高,因此二極管電阻的測量值較小;當擴大擋位的倍率之后,電表的內(nèi)阻變大,紅、黑表筆之間輸出電壓隨之降低,二極管電阻的測量值隨即變大。[2]

將圖2與圖3相結(jié)合,可得圖4結(jié)果,圖中三條直線與曲線的三個交點所對應(yīng)的橫、縱坐標即為二極管在不同量程下的電壓和電流值。從圖4中可以直觀地看出：在不同擋位下,紅、黑表筆間提供給二極管的電壓不同,測得二極管的電阻也就不同,用×1擋測得的電阻最小。

4 對教學(xué)的啟示

4.1 關(guān)于學(xué)生實驗?zāi)芰皢栴}提出能力的培養(yǎng)

黑箱實驗為學(xué)生的拓展探究項目,在現(xiàn)行教材中,作為學(xué)習(xí)多用電表之后的練習(xí)題,體現(xiàn)了新課標對實驗的重視,對學(xué)生動手實驗和探究能力也有了進一步的要求。在這樣的大背景下,教師更應(yīng)該注重對學(xué)生的引導(dǎo)。黑箱實驗作為一個探究性實驗,有許多值得挖掘和研究的地方。在常規(guī)的探究內(nèi)部電學(xué)元件的實驗中,學(xué)生通過多用電表的使用,測量各接線柱之間的電壓、電阻等數(shù)值,判斷其中的元件類型,由此可以培養(yǎng)學(xué)生的自主實驗?zāi)芰退季S能力。[3]同時結(jié)合教師的適當引導(dǎo),學(xué)生在實驗的過程中也能夠發(fā)現(xiàn)一系列新的問題,例如本文中提到的二極管正向阻值的問題。此類問題如果不通過親身試驗,僅僅是依靠書本上的幾句話來進行原理說明的話,很可能被學(xué)生忽略,也不容易為學(xué)生所理解。通過實驗進一步提出衍生性的問題,不僅培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的能力,也使學(xué)生充分體驗了科學(xué)探究的完整過程,提高了問題意識。同時,通過實驗,學(xué)生能夠更好地掌握和理解物理知識。

4.2 關(guān)于教師實驗教學(xué)方法的思考

對于教師來說,要正確引導(dǎo)學(xué)生進行自主實驗,在適當介紹實驗原理及步驟之后,應(yīng)放手讓學(xué)生來對黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探究,適時加以指導(dǎo)。教師不應(yīng)照本宣科,僅僅教授課本中所提到的內(nèi)容,這樣便固化了學(xué)生的思維,而應(yīng)充分給予學(xué)生自主的思考空間,由問題引發(fā)實驗探究,再由實驗誘發(fā)新的問題,如此良性循環(huán),提高其科學(xué)探究能力。