虛實結合 開拓創新

陳波

【摘 要】物理學是一門以實驗為基礎的學科。所有的物理概念、規律和理論，都是在實驗的基礎上建立起來的，所以說物理實驗是高考物理的主要內容之一。在高中物理學教學中實驗探究是一個重要且基礎的部分。而電學實驗是高中物理實驗中的重要部分，是物理實驗的難點。因此，探討高中物理電學實驗教學的策略對提高高中物理教學具有非常重要的意義。在高中物理電學的教學工作中，教授理論知識與理論實驗相結合可幫助學生們理解、記憶抽象的物理知識。搞好實驗教學具有非常重要的意義。因此，就物理學中的電學實驗，電流表電壓表所應用的無線電壓和電流傳感器的理論技術進行探討也是非常重要的。

【關鍵詞】物理學;高中教學;物理實驗;無線電壓

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，在物理學的產生和發展過程中，實驗由始至終都發揮著極其重要的作用。而中學物理實驗是培養學生科學的觀察、實驗能力，科學的思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。李政道先生曾經說過：“教物理重要的是讓學生懂道理……”根據中學物理教學的目的和教學大綱的基本要求，在中學物理實驗的教學過程中應使學生在科學實驗的基本方法上有一個實在的感受，從而培養他們的探索精神和創造性，并受到科學方法的教育。

在所有的高中物理實驗中，電學實驗可以說占據著舉足輕重的位置，幾乎在每年的理綜試卷中，都會出現電學實驗的相關問題，這也是高中物理實驗教學的重點和難點。而講到電學實驗，就不得不提到兩件基本的電學測量儀器——電流表和電壓表。

在我國高中物理實驗室中，常見的電流表和電壓表主要分為兩大類：一類是傳統的指針式電表。這類電表的顯示方式是純模擬（指針的偏轉角度）的，形象直觀的，不需要任何的翻譯或解釋。但該電表的讀數和記錄工作不太方便，容易產生較大的誤差，從而影響實驗的準確度。另一類就是電流、電壓傳感器，這是一種檢測裝置，能感受到被測電流的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。這套設備能快速、準確、動態地采集實驗信息，并實現數字化顯示，由計算機輔助進行分析處理。但是對于可運用傳統實驗進行的物理實驗來說，數字實驗無法給予學生親身經歷的感受，不利于培養學生的實踐動手能力，難以激發學生對物理實驗的興趣，雖然大大提高了課堂的效率，但容易導致學生過于依賴計算機進行計算，學生自身的計算水平無法得到提高。

兩種裝置有著各自的優缺點，而筆者則很好地結合了兩者的優點，開發了一套實驗設備，并運用于實踐，獲得了不錯的實驗效果。下面，筆者就該實驗的設備和原理做一個詳細的介紹：

無線電壓、電流傳感器

高中物理里使用的電壓表和電流表都是將表頭進行改裝（串聯或并聯電阻）后得到的。表頭的電阻大概為幾十歐姆，最大電流大概為幾毫安，所以改裝成電壓表后的電阻大概為幾千歐姆，改裝成電流表后的電阻大概為零點幾歐姆。

Arduino模擬電壓輸入端的可測量的最大電壓為5V，10位精度（即大概可以精確到0.005V），如果直接將模擬電壓輸入端作為電壓傳感器，也足以滿足高中物理電學測量的精度要求，所以可以直接將傳統的電壓表直接改裝成電壓傳感器，直接將Arduino的模擬電壓輸入端并聯到電壓表兩個接線柱上，由于Arduino模擬電壓輸入端的輸入阻抗在1兆歐姆以上，并聯在電壓表上后基本不改變電壓表的內阻。下圖為電壓表改裝后的實物圖，電源可以內置在電壓表內部。

傳統的電流表的內阻大概為零點幾歐姆，在測量時，電流表兩端的電壓大概為幾十毫伏。由于Arduino只有模擬電壓輸入端，沒有電流輸入端，而模擬電壓輸入端精度只有5毫伏，無法直接并聯在電流表兩端來測量。所以通過將電流表兩端的電壓進行放大后再用Arduino的模擬電壓端來測量，下圖中接了一個放大倍數為1000倍的線性放大電路。最后通過測量找到最后輸出電壓與電流的關系，然后將所測得的電壓進行計算后得到通過電流表的電流值。下圖為改裝完成的無線電流表實物圖。

優勝劣汰，是大自然的生存法則，對于不同的實驗設備亦是如此。取精華，去糟粕，將實驗的效力發揮到最大，是實驗教學的終極目標，也一直是筆者所追求的。

【參考文獻】

[1]張朝陽，張春熹，王夏霄，劉晴晴，高爽.閉環全光纖電流互感器相位差的計算與測試[J].儀器儀表學報，2009（01）

[2]顧宏，趙啟大，楊功流.數字閉環光纖陀螺儀過調制技術研究[J].光電子.激光，2008（08）

[3]陳迎麗，謝良平，陳平，嚴吉中.光纖陀螺中光纖環非互易效應及其補償技術[J].科學技術與工程，2008（11）

[4]劉曄，陳江波，束秀梅，胡衛鵬，丁巧婭，馬志瀛，韋兆碧.光源調制全光纖電流互感器的研究[J].西安交通大學學報，2008（04）

[5]孫兵，張麗，吳禮章.全光型大電流光纖電流傳感器[J].傳感器世界，2008（02）

[6]康崇，呂文磊，歐陽鴻，黃宗軍，董云吉.光學電流互感器中線性雙折射與法拉第效應的分離檢測[J].光學學報，2008（01）

[7]郭慧梅，孔林濤，朱獻松.橢圓偏振光的實驗驗證方法[J].實驗室科學，2007（05）

[8]傅鳴非，耿相銘，袁炎.基于DSP全光纖電流互感器系統研究[J].電測與儀表，2007（09）

[9]王夏霄，張春熹，張朝陽，鄔戰軍.全光纖電流互感器的偏振誤差研究[J].光子學報，2007（02）

[10]王夏霄，張春熹，張朝陽，鄔戰軍.一種新型全數字閉環光纖電流互感器方案[J].電力系統自動化，2006（16）

（作者單位：浙江省寧波中學）