高中生物理綜合分析與實驗探究能力培養

唐昌琳

[摘 要]綜合分析和實驗探究能力是學生物理學科核心素養的重要組成部分，與“物理觀念、科學態度與責任”等要素密不可分。在教學中要不斷訓練提升學生的綜合分析和實驗探究能力，這對學生物理學科核心素養的提升和關鍵能力形成有很好的推動作用。電路設計不僅能激發學生的學習興趣，還能培養學生的創造性思維能力，提高學生的綜合分析和實驗探究能力。

[關鍵詞]電阻；電路設計；綜合分析能力；實驗探究能力

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 16746058（2018）02004102

高中生感到物理難學的原因之一，就是不能把許多零散的物理知識綜合起來，分析解決實際問題。用單一知識分析單一的問題，學生都能理解并正確地完成，而用多個知識去分析一個綜合問題時，大部分學生就會感到力不從心。在平時的教學過程中，教師應不斷強化對學生的科學思維訓練，以鍛煉學生綜合分析、推理論證方面的能力。訓練時，應注意由淺入深，由低階思維不斷向高階思維發展，逐步提升學生分析解決問題的能力。物理教學是思維活動的教學，教學過程中應重視方法，這樣經過一定時間的積累，學生的科學思維能力就提高了，對物理學習的畏懼感就減少了。

在設計電阻測量電路之前，學生已經掌握了歐姆定律，知道了磁電式電流表、電壓表均是由小量程電流表改裝而成，也知道電阻的測量方法有歐姆表粗略測量、伏安法測量、半偏法測量、替代法測量、惠斯通電橋測量等。用以上某個知識或某個方法解決與之對應的單一問題，學生是能夠勝任的。但當把這些知識和方法融合在一起，解決稍微復雜的問題時，學生就有困難了。筆者以伏安法測電阻為例，談談培養學生綜合分析和實驗探究能力的策略。

在設計電阻測量電路之前，先復習電路設計的原則，它們是：（1）安全性，保證儀器儀表的安全；（2）準確性（滿偏性），指針偏轉在滿偏的三分之一以上；（3）可調性，在供電部分，通過可變電阻來實現路端電壓可調和多次測量。電阻測量電路的設計一般可按以下兩步進行：測量部分電路設計，供電部分電路設計。本節課重點學習測量部分電路設計。

伏安法測電阻的實驗原理R=U/I。測量電路連接方式有兩種，分別為內接法和外接法。

電流表接在電壓表的測量范圍以內，簡稱內接法。由于電流表內阻的影響，內接法中電壓表測得的電壓大于R兩端的電壓，使得R的測量值偏大。既然兩種方法都存在測量誤差，只能從中選用一種誤差較小的連接方式進行具體測量。當電壓表內阻遠大于被測電阻R時，電壓表分得的電流遠小于R的電流，用外接法比較準確。當電流表的內阻遠小于被測電阻R時，電流表分得的電壓遠小于R的電壓，用內接法比較準確。如果用RV、RA、Rx分別表示電壓表、電流表、被測電阻的阻值，把上面的思路用數學語言表達就是：RV/Rx>Rx/RA時應用外接法測量；RV/Rx

如圖3所示，電壓表的一端先與電阻一端連接，接通電路后，另一端分別與圖中的a、b兩點試觸一下，如果電壓表的讀數變化大，則采用外接法測量比較準確；如果電流表的讀數變化大，則采用內接法測量比較準確。

在復習鞏固以上基本知識后，就可以進行相應的能力訓練了。

【例1】 用伏安法測量一個定值電阻的阻值，所需器材及規格如下。

（1）待測電阻R（約1000Ω）；

（2）直流毫安表mA：量程5mA，內阻約50Ω；

（3）直流電壓表V，量程3V，內阻約5kΩ。

為了較準確測量該電阻的阻值，請設計測量部分電路圖，并寫出測定R的表達式。

分析：比較RV、RA、R的大約阻值有RV/R

點評：這是用單一的知識分析單一的問

題，是基本知識的直接運用，屬于低階思維。

【例2】 用伏安法測定一個阻值約為10Ω，額定功率

為2W的定值電阻R的阻值。可供選用的器材有：

直流電壓表V1，量程6V，內阻約10kΩ；直流電壓表V2，量程30V，內阻約30kΩ；直流電流表A1，量程0.6A，內阻約0.5Ω；直流電流表A2，量程3A，內阻約0.1Ω。

要求選出合適的器材，畫出測量電路圖，并寫出測定R的表達式。

分析：先確定待測電阻額定電流、電壓的近似值，這兩個值確定了，根據準確性原則就可以選出需要的電表了。

額定電壓：U=PR=2×10=4.5（V）。

額定電流：I=U/R=0.45（A）。

電壓表選V1，電流表選A1。因RV1/R>R/RA1，所以應用外接法測量。測量電路如圖5所示。電壓表、電流表讀數分別為U、I，則R=U/I。

點評：本題加進了“額定功率”這一限制條件，學生必須掌握額定功率的含義，從中找到被測電阻的額定電壓、電流的大約值，再根據安全性、準確性原則選出所需儀表，進而根據伏安法測電阻的知識設計測量電路。從思維角度說，本題比例1又高了一階。

【例3】 現需測定電流表A的內阻，所給儀器有：待測電流表A，量程10mA，內阻rA約150Ω；電流表A1，量程0.6A，內阻0.5Ω；電壓表V，量程3V，內阻3kΩ。請設計測電流表A內阻的測量部分電路，并寫出測定rA的表達式。

分析：電流表A能承受的最大電壓UA=IArA=1.5（V），達到電壓表滿偏的一半，可用電壓表直接測A兩端電壓。測量部分電路如圖6所示，電壓表、電流表的讀數分別為U、I，則rA=U/I。

點評：在例1、例2中，電流表、電壓表內阻未知，實驗器材帶來了系統誤差。在本題中，由于電流由被測電流表自身讀出，電壓表的內阻對測量電流沒有影響，從實驗器材上講，實現了準確測量（不考慮電表本身帶來的誤差）。

【例4】 現需測定電流表A的內阻，所給儀器有：待測電流表A，量程0.6A，內阻rA約0.5Ω；電流表A1，量程3A，內阻r1=0.01Ω；電壓表V，量程3V，內阻3kΩ；定值電阻R0=4Ω，R1=40Ω。請設計測量電流表A內阻的測量部分電路，并寫出測定rA的表達式。

分析：待測電流表A能承受的最大電壓UA=0.6×0.5V=0.3V，不到電壓表量程的三分之一，直接用電壓表測電流表A兩端電壓不準確。將電阻R0與電流表A串聯，則串聯

電路能承受的最大電壓為Um=IA（rA+R0）=2.7（V），接近電壓表量程。測量部分電路如圖7

所示，電壓表、電流表的讀數分別為U、I，則rA=（U-IR0）/I。

點評：將電阻R0與電流表A串聯，增大串聯電路的電壓承受能力，讓電壓表測量盡可能準確，使用的是電表改裝的知識。本題是用電表改裝、伏安法測電阻兩個知識去解決電壓表量程過大和測電流表內阻的兩個問題，從問題的難度及綜合程度來看比前面幾個例題更復雜了。

【例5】 現需測定電流表A1的內阻，所給儀器有：待測電流表A1，量程10mA，內阻r1約40Ω；電流表A2，量程500μA，內阻r2=750Ω；電壓表V，量程10V，內阻r3=10kΩ；定值電阻R0=100Ω。請設計測電流表A1內阻的測量部分電路，并寫出測定r1的表達式。

分析：電流表A1能承受的最大電壓約為0.4V，即便與R0串聯擴大電壓承受能力，最多能承受約1.4V的電壓，用電壓表測量電壓達不到準確性要求。而電流表A2能承受的最大電壓為0.375V，用A2測定A1兩端電壓可行。測量部分電路如圖8所示，電流表A1、A2的讀數分別為I1、I2，則r1=（I2r2）/I1。

點評：在常規思維中，測電壓一般是用電壓表的，用電流表測電壓打破了這種常規思維，對培養學生的知識遷移能力、創新思維能力很有幫助。

【例6】 現需測定電流表A1的內阻，所給儀器有：待測電流表A1，量程100mA，內阻r1約40Ω；電流表A2，量程500μA，內阻r2=750Ω；定值電阻R0=7kΩ，R1=70Ω。請設計測電流表A1內阻的測量部分電路，并寫出測定r1的表達式。

分析：電流表A1、A2能承受的最大電壓分別為4V、0.375V，電流表A2串聯電阻R0后，能承受的最大電壓U2=I2（r2+R0）=3.9（V），用這個改裝后的電壓表測電壓準確性就高了。測量部分電路

如圖9所示，電流表A1、A2的讀數分別為I1、I2，則r1=[I2（R0+r2）]/I1。

點評：例5中測量電阻的方法，通常又被叫作“安安法”。本題在例5“安安法”的基礎上，增加了電表改裝的元素，綜合性更強了，對培養學生的綜合分析能力起到了積極的作用。

到此，一節課時間基本結束。可給學生留下了兩個懸疑：1.電流表內阻測量有“安安法”，電壓表內阻測量有“伏伏法”嗎？2.歐姆表的內阻測量又有哪些辦法呢？請同學們課后研究。

反思：本節課，從伏安法測普通電阻的阻值過渡到測電流表內阻；從簡單問題逐步過渡到復雜問題，學生的科學思維能力得到了很好的訓練。通過這些測電阻實驗方案的設計，使學生的實驗探究能力得到了提升。對原有知識的擴展，變式教學法的使用，能讓學生學會學習。當他們遇到新事物、新理論時能主動探索，解決各種各樣的問題，這也是當今教學改革關注的要點，也是教學的主要目標。

（責任編輯 易志毅）