從一個簡單的電學實驗現象引導的探究性學

【摘 要】該文結合初中物理新課程教學實踐，介紹了通過一個簡單的電學實驗現象，引導開展進一步探究性學習的整個過程，并就此提出了自己的反思。

【關鍵詞】初中物理；探究性學習；電學實驗；電源內阻

《義務教育物理課程標準》提出了“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”三維發展的課程目標，其中之一就是讓學生“保持探索科學的興趣和熱情，在認識自然的過程中獲得成就感，能獨立思考、敢于質疑、尊重事實、勇于創新。”根據皮亞杰的建構主義理論，兒童的認知結構是通過同化、順應和平衡的過程逐漸成熟起來的。當兒童接觸的新信息與現存認知結構不吻合時，就要改變原有的認知結構，而個體也就在平衡—失衡—新的平衡中，實現了認知的發展。據此，教師在教學過程中，要圍繞學生的“最近發展區”，創設激起學生新舊知識沖突的有效教學情景，引導學生通過自主、合作、探究學習，建構新知、提高技能、發展能力、內化情感。下面以“電流表使用”這一簡單的電學實驗為例，談談引導學生進行探究性學習的體會，以與同行交流共享。

一、問題的提出

在學習“電流表使用”時，教師常會向學生強調：“電流表就相當于一根導線，測量電流時只能串聯在電路中，不能并聯在用電器兩端，否則就會引起短路。”并會通過演示實驗加深學生印象：把電流表的一個接線柱與小燈泡的一端相連，而另一個接線柱通過導線試觸接到小燈泡另一端，在試觸一瞬間，電流表滿偏，電路中原來亮著的小燈泡熄滅，說明小燈泡被電流表短路。

同樣，在學習“歐姆定律”一節時，教師會聯系到電流表和電壓表的使用，并結合蘇科版物理九上課本第92頁習題第3題來說明：電流表的電阻大概是零點幾歐。而導線電阻約零點零幾歐，所以電流表與導線相比還是略有區別的，當導線并聯到電流表兩端時，電流表也會被短路。

對于初中學生來說，只能講到此程度，可學生總是似懂非懂。所以在新一輪的教學中，筆者嘗試通過數據來說明。如圖1電路中，電流表與燈泡并聯在1.5V的電源上。電路接通瞬間，毫無疑問，能看到燈泡不亮，電流表滿偏的現象。這時筆者提出探究問題：是電流表分去了絕大部分電流而使小燈泡不亮嗎？學生通過計算發現，不管電流表是否并聯，理論上通過小燈泡的電流應該是不變的，就是說小燈泡的亮度也應該是不變的，那么為什么實驗現象跟理論計算不符呢？是不是我們忽略了某些因素呢？這就引入了進一步的探究性學習。

二、分析論證、作出假設和探究實驗

筆者引導學生從現象入手，先進行理論分析。

小燈泡不亮只有2種可能：一是沒有電流通過，即電路中存在斷路；二是有電流通過，但因小燈泡兩端的電壓過小，使通過小燈泡的電流太小，導致小燈泡的實際功率非常小，從而無法發光。本實驗中，因電流表有示數，故可排除第一種可能。于是集中分析第二種情況，小燈泡跟電流表都是并聯在電源兩端的，為什么小燈泡兩端的電壓會減小呢？

【分析1】當電流表并聯入電路后，電路中的總電阻減小，電流增大，而小燈泡兩端的電壓卻減少了，這似乎與圖2相似。當滑片向右滑動，ab兩點間的電阻變小，電路中的電流變大，但因有電阻R0的存在，故ab連點間的電壓變小。該R0是什么因素引起的呢？按初中生的知識水平，目光很快就投向除電源，燈泡和電流表之外的導線。

【假設1】小燈泡在并聯電流表后不發光是因為導線有電阻而分得了電壓。

【探究1】如圖3所示，設電路中導線電阻為r，因電阻r與小燈泡是串聯的，且電阻r與小燈泡相比非常小，所以根據串聯分壓原理小燈泡分得了絕大部分的電壓，所以能發光。但當電流表并聯到小燈泡兩端后（如圖4），因電流表的電阻也較小，所以并聯后ab兩點間的電阻值比電流表更小。此時的導線電阻r就有可能分得電壓。

為驗證這一假設，筆者讓物理興趣小組學生分別用銅、鐵不同材質、不同粗細的導線替換原有的實驗室導線，進行課外探究實驗。實驗設計見表1。實驗的結果還是一樣，小燈泡都不發光。

表1：用不同材質不同粗細導線的探究實驗

這說明，導線電阻分壓的效果并不如預期的那么大。既然分掉電壓的并不是導線，那么會是什么呢？

【分析2】電路組成很簡單：電源、開關、小燈泡、電流表和導線。既然不是導線的分壓問題，那就只可能是電源了。但憑初中生現有的知識，是不可能聯想到電源內部有電阻的。這時教師的啟發和引導就顯得十分重要。筆者啟發學生：福爾摩斯有句名言：“除去不可能的剩下的即使再不可能，那也是真相。”在排除了其他組成元件會對小燈泡的發光產生影響后，剩下的可能影響的組成元件就是電源了。

【假設2】小燈泡在并聯電流表后不發光是由于電池的內部存在電阻。

【探究2】因本校實驗室的儀器無法直接測到電池的內阻，所以筆者給學生介紹了高中測量電源內部電阻的方法，實驗原理如圖5所示。

實驗原理：ε=U+Ir（其中ε為電源電壓，U為外電路電壓，r為電源內部電阻）。實驗共采集了11組數據（見表2），發現當滑動變阻器接入阻值較大時，隨著滑片的移動，電壓表示數幾乎無變化，當滑動變阻器接入阻值較小時，隨著滑片的移動，電壓表示數變化較大。筆者指導學生通過圖像法算出了電池的內阻約為2Ω。

表2：探究2采集的11組數據

三、得出結論

小燈泡在并聯了電流表后會熄滅，是因電池內阻分壓所致。并聯電流表后，外電路的電阻大大減少，使得電池內阻分掉了很多電壓，導致小燈泡兩端的電壓銳減，小燈泡的實際功率大減，致使燈泡亮度不可見。因此，要通過計算得出具體數據來解釋出燈泡由于被電流表分去了過多的電流而無法發光，只需要在圖5電路中串聯一個與滑動變阻器同樣阻值的燈泡即可。

四、匯報交流

探究說明，對于線路和電源本身也要用歐姆定律來分析，這正說明了歐姆定律的普適性。很多問題要用全電路歐姆定律來計算，這要到高中才會學習。

筆者讓物理興趣小組派代表向全班同學匯報交流他們的探究成果：外電路的電阻越大，電源的內阻影響就越小。反之，外電路電阻小，流過電源的電流強度大，電源內阻影響就大，路端電壓就會降低。比如，家里冰箱、空調啟動時電流很大，線路和變壓器的分壓就會增大，電燈得到的分壓降低，瞬間就會變暗。它們正常工作時恢復額定電流，電流小了，電燈也恢復正常。電源的內阻問題肯定會對初中教材中“歐姆定律”的實驗產生影響，如何才能盡可能的減小這一影響呢？①盡可能選取電阻值大一些的電阻。②如果手邊電阻都較小，那么在用滑動變阻器調節電路中的電流時，不要使滑動變阻器接入電路的阻值過小。

五、反思

以上是由一個簡單的電學實驗現象引導的探究性學習的過程。在整個探究過程中，筆者受益也頗為豐富，其中最重要的一點是，我們在引導開展探究性學習時不要帶著條條框框，將自己和學生局限于某一知識范圍之內，而是要拓寬思路，從各個方面去考慮問題的可能性。這有利于學生思維能力的發展，再遇到復雜問題時，就能跳出“框框”提出全新的猜想。同時敢于發現和提出問題，周密地分析并帶著濃厚的興趣去探究解決問題的方法。而從教師的角度來看，不是簡單的告訴學生一個答案，而是作為組織者、引導者和參與者的身份，在學生迷惑和陷入僵局時引導他們，并且全力給學生提供解決問題的條件和環境，這樣才能真正體現新課程改革以學生為主體的理念，達到師生合作互動，共同成長的改革目標。

【參考文獻】

[1]教育部.義務教育物理課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011.

[2]宣桂鑫.高中物理新課標教材·選修2-1（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（作者單位：江蘇省蘇州市三元中學校）