用體驗代替接收，變被動為主動

陳家禮

多用電表是高中物理電學(xué)部分常見的儀表，功能較多，測量范圍大，操作、讀數(shù)方便，是高中物理重要的電學(xué)測量器材。要正確使用多用電表，必須全方位了解其工作原理，熟悉外部各個旋鈕的功能和內(nèi)部每個元件的關(guān)系，掌握多用電表工作時電路中的電流、電壓及電阻的變化情況。

多用電表外部的“刻度顯示盤”有什么特征？上面的刻度怎樣標(biāo)度？“機(jī)械調(diào)零旋鈕”“歐姆調(diào)零旋鈕”“選擇開關(guān)”及“表筆”是如何使用的？多用電表內(nèi)部由什么元件組成，它們是如何連接的？為什么將某待測電阻連接在兩表筆間就可立刻從歐姆表盤上讀出相應(yīng)的電阻值？對于這些問題，教師往往利用閉合電路及部分電路歐姆定律、串并聯(lián)電路規(guī)律對其工作原理的進(jìn)行解析，使學(xué)生由淺入深地了解歐姆表的工作原理，知道各個部件的功能，能夠利用歐姆表測量電阻并能完整讀數(shù)。但這種教學(xué)模式的弊端也比較突出，學(xué)生掌握測量方法容易，但遺忘速度同樣也很快。本文以筆者隨堂聽的 “多用電表歐姆擋的工作原理”新教材公開課為例，闡述如何在這類課堂教學(xué)中真正體現(xiàn)物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、突破傳統(tǒng)，創(chuàng)設(shè)情景，勇于體驗

1. 創(chuàng)設(shè)情景，觀察現(xiàn)象

如圖1所示，是電源向三個完全相同的燈泡供電的實驗電路，

三個開關(guān)均閉合時，發(fā)現(xiàn)燈泡L1、L2發(fā)光，但燈泡L3不亮。

2. 提出問題，導(dǎo)入課題

在圖1的實驗中燈泡L3不亮是可以通過實驗方法進(jìn)行檢測的，前面已學(xué)過的檢測方法有：利用電壓表檢測燈泡L3兩端電壓是否正常，也可以利用電流表檢測燈泡L3這條支路是否接通。還有其他的檢測方法嗎？下面再介紹一種通過直接測量燈泡的電阻判斷燈泡好壞的方法。

3. 利用最簡單的器材，通過實驗體檢測量電阻的基本方法

如圖2所示，將電源E、r，電阻箱R，電流表A和開關(guān)S連成閉合電路，閉合開關(guān)S后，通過調(diào)整電阻箱R的阻值，得到電流表A的不同讀數(shù)，根據(jù)閉合電路歐姆定律I=知，電阻箱R的阻值與電流表A的讀數(shù)一一對應(yīng)，將電流表的表盤刻度更換成直接顯示電阻箱R阻值的電阻刻度，實現(xiàn)直接利用該電路測量電阻的阻值。為測量方便起見，可以對該電路進(jìn)行改造，改造的方法如圖3、圖4所示。將待測電阻放置在紅、黑表筆之間，就能從電阻刻度上直接得到測量電阻的阻值。

二、設(shè)計實驗探究方案，感知電阻刻度的基本特征

1. 合理設(shè)計方案，通過實驗描繪出不同電阻的刻度分布

如圖5所示，將電阻箱R的電阻值分別設(shè)置為R1=5Ω、R2=10Ω、R3=15Ω、R4=20Ω、R5=25Ω，將電阻刻度取下，換成一張白紙，接通電路，記下各個電阻對應(yīng)的刻度位置，實驗記錄的結(jié)果如圖6所示。

由實驗結(jié)果可知，電阻刻度的分布呈現(xiàn)電阻值越大，刻線分布越密集，電阻值越小對應(yīng)的電流越大，電阻值越大對應(yīng)的電流越小，刻度是不均勻分布的。

2. 引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化實驗方案，標(biāo)出特殊阻值的電阻刻度

有學(xué)生提出，既然兩表筆之間接任意阻值的電阻均可以在電流刻度上找到相應(yīng)的位置，那么，當(dāng)兩表筆之間所接電阻為零（短路）時，此時電流刻度的位置應(yīng)為0Ω位置，能否實現(xiàn)？教師引導(dǎo)學(xué)生按圖7所示電路進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩表筆短暫短路時，電流已經(jīng)超過量程，這說明該方案存在缺陷。教師及時提出問題：（1）導(dǎo)致該方案不能完成的最主要的問題是什么？（2）怎樣改進(jìn)才可以使實驗繼續(xù)進(jìn)行？（3）如果能完成該實驗方案，0Ω在什么位置比較合理？學(xué)生根據(jù)教師提出的問題，又進(jìn)行新的實驗設(shè)計，其中最根本的問題是兩表筆之間所接電阻為零（短路）時，電路中的總電阻太小。因此，應(yīng)在電路中串聯(lián)一個可變電阻R0，通過調(diào)節(jié)R0的大小使指針剛好達(dá)到電流滿偏位置，由于0Ω是最小的電阻，應(yīng)將電流的滿偏位置確定為電阻的0Ω位置，具體的實驗過程如圖8、圖9、圖10所示。

還有學(xué)生提出，當(dāng)表筆之間斷開（斷路）時，電路中的電流為零，此時，指針應(yīng)指在電流為零處，由于該位置是電流最小處，也應(yīng)是電阻阻值最大處，可以設(shè)置為∞Ω的位置，具體的實驗過程如圖11、圖12所示。

3. 完善實驗設(shè)置，精心制作完整的電阻刻度

根據(jù)以上實驗設(shè)計，已經(jīng)確定電阻刻度（歐姆表盤）上0Ω、∞Ω的位置，當(dāng)紅、黑表筆短路（R=0Ω）時，如果指針不在0Ω位置，可以通過調(diào)整可變電阻R0，使指針指在0Ω位置，這就是“歐姆調(diào)零旋鈕”的作用;當(dāng)紅、黑表筆開路時，如果指針不在∞Ω位置，可以通過調(diào)節(jié)“機(jī)械調(diào)零旋鈕”，使指針指在∞Ω位置，這也就是 “機(jī)械調(diào)零旋鈕”的功能。

為了使學(xué)生畫出完整的歐姆表盤，利用已經(jīng)形成的歐姆表內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)閉合部分電路歐姆定律，進(jìn)一步完善表盤刻度。設(shè)歐姆表內(nèi)電源內(nèi)阻為r，電流表內(nèi)阻為RA，可變電阻（調(diào)零電阻）阻值為R0，一般將（r+RA+ R0）記為歐姆表內(nèi)阻RΩ，且RΩ=r+RA+R0，當(dāng)R=0時，I===Ig;當(dāng)R=RΩ時，I==Ig ?？梢姡瑲W姆表的中央刻度正好是RΩ，依次類推，可以得到任意位置的電阻刻度而形成完整的歐姆表盤，如圖13、圖14所示。

三、歐姆表表盤刻度不均勻?qū)嶒瀻淼挠绊懠疤幚矸椒?/p>

上述實驗已經(jīng)證實，歐姆表表盤刻度不均勻，對電阻的測量會產(chǎn)生較大的誤差，為了減少測量誤差，一般要求測電阻時，指針指在相對均勻的中央刻度附近效果較好。但對不同阻值的電阻，不可能做到每次測量都能指在中央刻度附近，因此，歐姆表內(nèi)通過設(shè)置了不同的倍率來解決測量誤差大的問題。

1. 通過設(shè)置多個電源，解決不同倍率的問題

如圖15所示，設(shè)開關(guān)S與1接通時，歐姆表內(nèi)阻為20Ω，當(dāng)紅、黑表筆間接20Ω的電阻時，電流表指針正好指在中央刻度，此量程為“×1”倍率，由閉合電路歐姆定律知，I=;開關(guān)S與2接通時，歐姆表內(nèi)阻為200Ω，當(dāng)紅、黑表筆間接200Ω的電阻時，電流表指針正好指在中央刻度，此量程為“×10”倍率，由閉合電路歐姆定律知，I=，得到E2>E1，可見，通過設(shè)置不同電源可以實現(xiàn)測量不同電阻時，電流表指針均可指在中央刻度附近，從而提高測量電阻的精度。

2. 通過改變歐姆表內(nèi)部結(jié)構(gòu)，解決不同倍率的問題

如圖16所示，是倍率“×10”擋的電路圖，當(dāng)接入被測電阻Rx時，流經(jīng)Rx電流為I0，流過歐姆表電流為I，如果制作的歐姆刻度盤讀數(shù)是20Ω，則接入被測電阻Rx是200Ω?，F(xiàn)要制作倍率“×1”擋，應(yīng)該怎樣做？

如圖17所示，設(shè)虛線框中的等效總電阻為R2，當(dāng)R1=R2時，R1與R2的并聯(lián)電阻為R2，若R1連接在電路中，流過電流表電流為I時，則I1=9I0，Rx電流為Ix=10I0，此時，歐姆刻度盤讀數(shù)是20Ω，R2=Ω=20Ω，測量電阻與表盤指示電阻相同，應(yīng)為倍率“×1”擋。可見，要制作倍率“×1”擋，只需要將電阻R1=R2與電阻R2并聯(lián)即可。這樣，當(dāng)開關(guān)S接通時，歐姆表的量程為“×1”擋，當(dāng)開關(guān)S打開時，歐姆表的量程為“×10”擋，很明顯也可以改變歐姆表的內(nèi)部連接方式，測量不同電阻時，均可以使電流表指針指在中央刻度附近，減小測量誤差。

四、多用電表中各個部位的功能及完備的多用電表的基本結(jié)構(gòu)

有學(xué)生提問：歐姆表的面部“選擇開關(guān)”起什么作用？“表筆”為什么分紅、黑兩種顏色？教師及時進(jìn)行引導(dǎo)：一般制作歐姆表時，也將電流表、電壓表合并在一起，構(gòu)成多功能多量程的綜合儀表（多用電表），通過面部的“選擇開關(guān)”實現(xiàn)不同功能，而表筆的顏色主要是區(qū)分歐姆表內(nèi)部電源的正、負(fù)極用。多用電表的基本結(jié)構(gòu)如圖18所示，當(dāng)選擇開關(guān)“S”接1、2時，多用電表成為電流表;當(dāng)選擇開關(guān)“S”接3、4時，多用電表成為電壓表;當(dāng)選擇開關(guān)“S”接5時，多用電表成為歐姆表，為使不同電表工作時表頭（圖中的G表）均能正常工作，必須將黑表筆接公共端，紅表筆接旋轉(zhuǎn)開關(guān)，這樣，一個比較完整的多用電表制作完成。理解多用電表的制作過程有利于掌握其基本的工作原理和使用方法。

這節(jié)課學(xué)生學(xué)習(xí)歐姆表工作原理，不再是傳統(tǒng)的聽講模式，而是通過實驗“親身體驗”并“逐漸感悟”歐姆表的基本原理和使用方法，變“被動接收知識”為“主動體驗活動”，教師將學(xué)生理解困難的知識通過實驗加以講解，使學(xué)生感同身受，受益匪淺，這也體現(xiàn)了新教材對培養(yǎng)核心素養(yǎng)最基本的要求。

注：本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“高中物理體驗式教學(xué)的模式構(gòu)建”（課題編號：2020YQJK014）的階段性成果。