新型歐姆定律教具

李欣雨，李瀛宇

新型歐姆定律教具

李欣雨，李瀛宇

（雛鷹翊智（北京）教育科技有限公司，北京 100000）

經(jīng)過(guò)調(diào)研以及分析表明，現(xiàn)有的歐姆定律實(shí)驗(yàn)方法以及教具學(xué)生操作起來(lái)需要反復(fù)拆卸、更換，比較復(fù)雜。雖然能夠驗(yàn)證歐姆定律的公式，但是不能夠直觀、形象地觀察到電壓、電流、電阻的變化以及它們之間的關(guān)系，導(dǎo)致很多剛學(xué)完歐姆定律沒(méi)多久的學(xué)生記不住這個(gè)實(shí)驗(yàn)。所以根據(jù)現(xiàn)實(shí)的需求制作本發(fā)明——看得見的歐姆定律，不僅能夠?qū)嶒?yàn)歐姆定律還能夠讓人們看得見，用水形象地演示出電阻、電壓、電流之間的關(guān)系。

歐姆定律；電阻；電壓；電流

現(xiàn)有歐姆定律實(shí)驗(yàn)教具的步驟太過(guò)復(fù)雜，儀器也太多，實(shí)驗(yàn)老師操作起來(lái)很不方便。雖然實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)可以很清楚看見但是卻不能直觀、形象看出電阻、電壓、電流的變化以及它們之間的關(guān)系。

保留現(xiàn)有歐姆定律實(shí)驗(yàn)教具的優(yōu)點(diǎn)，把缺點(diǎn)改進(jìn)，再組成一個(gè)全新的歐姆定律實(shí)驗(yàn)演示教具。

1 調(diào)查與研究

為了能夠了解人們對(duì)歐姆定律實(shí)驗(yàn)演示教具的需求，以及現(xiàn)有的歐姆定律是怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)研以及網(wǎng)上調(diào)研，最終得出現(xiàn)有的歐姆定律實(shí)驗(yàn)方法。

1.1 問(wèn)卷調(diào)查

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)研得出，人們對(duì)歐姆定律實(shí)驗(yàn)演示教具的需求主要是：實(shí)驗(yàn)效果明顯，有除數(shù)據(jù)以外更形象的變化，并且操作簡(jiǎn)單不用反復(fù)拆裝線。

1.2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)查

通過(guò)網(wǎng)上調(diào)研找到了歐姆定律的實(shí)驗(yàn)教具，這是一個(gè)物理的電學(xué)實(shí)驗(yàn)套裝，里面有歐姆定律中要用到的電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、不同阻值的用電器等。但是經(jīng)過(guò)調(diào)研以及分析表明，現(xiàn)有的歐姆定律實(shí)驗(yàn)方法以及教具操作起來(lái)需要反復(fù)拆卸，很復(fù)雜，并且不能夠直觀、形象地觀察到電壓、電流、電阻的變化以及它們之間的關(guān)系，所以現(xiàn)有的歐姆定律實(shí)驗(yàn)教具已經(jīng)不能完全滿足人們的需求。

1.3 調(diào)研結(jié)果

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查以及網(wǎng)絡(luò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)新型歐姆定律實(shí)驗(yàn)教具的研究和制作是非常有必要的，不僅方便教師實(shí)驗(yàn)，也能加深學(xué)生對(duì)歐姆定律的理解。

1.4 研究計(jì)劃

為研究這個(gè)問(wèn)題，制定了詳細(xì)的研究方案。然后根據(jù)研究方案分別制定了詳細(xì)的調(diào)研計(jì)劃：可行性研究；教具需求功能研究；實(shí)驗(yàn)論證。

2 確定教具任務(wù)指標(biāo)

根據(jù)調(diào)研以及分析，研究和制作的教具一定要具有以下幾個(gè)功能：實(shí)驗(yàn)效果明顯，除數(shù)據(jù)外要有更直觀、形象的變化，能夠全新模擬歐姆定律實(shí)驗(yàn)中電阻、電壓、電流之間的關(guān)系；使用起來(lái)簡(jiǎn)單，易操作，不用反復(fù)拆裝線；能夠驗(yàn)證歐姆定律實(shí)驗(yàn)；外觀要精美，便于學(xué)生加深實(shí)驗(yàn)印象。

3 創(chuàng)意與設(shè)計(jì)

3.1 第一稿設(shè)計(jì)

歐姆定律的內(nèi)容：在同一電路當(dāng)中，導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。便于觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)教具中一定要有顯示器，顯示電壓數(shù)值、電流數(shù)值以及電阻阻值的大小。由于歐姆定律的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻阻值從而控制電路中的電壓以及電阻大小的，所以要有兩個(gè)滑動(dòng)變阻器，一個(gè)通過(guò)調(diào)節(jié)阻值控制電路中的電壓，一個(gè)用于實(shí)驗(yàn)中的被測(cè)電阻。

新型歐姆定律實(shí)驗(yàn)教具應(yīng)有3個(gè)顯示器，分別顯示電壓、電流以及阻值的大小。當(dāng)打開開關(guān)后，教具工作，顯示器亮起來(lái)，進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)：保持電阻不變，探究電流和電壓之間的關(guān)系。滑動(dòng)被測(cè)電阻為一個(gè)固定阻值，讀出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并記錄，移動(dòng)另一個(gè)滑動(dòng)變阻器，使被測(cè)電阻兩端的電壓為某一數(shù)值，讀出電流的數(shù)值并記錄；保持被測(cè)電阻阻值不變，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器，使被測(cè)電阻兩端的電壓為某一數(shù)值，讀出電流的數(shù)值并記錄；再用相同方法調(diào)整被測(cè)電阻兩端的電壓，并記錄數(shù)值。最終得出當(dāng)電阻不變時(shí)，電流和電壓之間的關(guān)系。進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)：保持被測(cè)電阻兩端的電壓不變，探究電流和電阻的關(guān)系。

3.2 第二稿設(shè)計(jì)

在第一稿設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)外觀是一個(gè)方方正正的盒子，看起來(lái)不是很精美，而且違背了設(shè)計(jì)初衷，所以第二稿設(shè)計(jì)需要進(jìn)行外觀優(yōu)化。

在第二稿中，不僅在外觀上進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)水流，形象并且直觀演示出電壓、電流、電阻的變化并模擬了它們之間的關(guān)系。同時(shí)保留了能夠顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示器，便于觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)接通電源后，教具開始工作，當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器后，打開顯示器的開關(guān)即可檢測(cè)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)打開水泵開關(guān)后，便能夠形象地用水流模擬電壓、電流和電阻之間的關(guān)系。

3.3 第三稿設(shè)計(jì)

雖然完成了第二稿設(shè)計(jì)，但是在外觀精美的條件下，如何能夠讓學(xué)生記憶深刻呢？在不斷地查找資料過(guò)程中做出了下面的調(diào)整：為了能夠方便觀察電阻、電壓、電流之間的關(guān)系，在第三稿設(shè)計(jì)中增加了水輪，因?yàn)樗嗈D(zhuǎn)速的快慢能夠直觀體現(xiàn)出水壓和水流的變化。

在無(wú)任何阻擋的前提下，水壓越大，水輪轉(zhuǎn)速越快；水壓越小，水輪轉(zhuǎn)速越慢。并且增加水輪后，這個(gè)教具更加形象地演示出電壓、電流和電阻之間的關(guān)系，更能夠吸引學(xué)生的注意，所以能給學(xué)生留下非常深刻的印象。

除此之外，采用電阻表、電壓表、電流表分別測(cè)量電路中的被測(cè)電阻阻值、其兩端的電壓和通過(guò)的電流大小。這樣，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以選擇先關(guān)閉電阻表，通過(guò)電流表和電壓表顯示的數(shù)據(jù)，根據(jù)歐姆定律的公式計(jì)算出電阻阻值，再斷開電路開關(guān)，打開電阻表，進(jìn)行驗(yàn)證（誤差忽略不計(jì)）。這樣就可以對(duì)歐姆定律進(jìn)行驗(yàn)證了。

4 具體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的新型歐姆定律實(shí)驗(yàn)演示教具，如圖1所示，不僅能夠讓人們看得見歐姆定律還進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，無(wú)需反復(fù)拆裝線。

圖1 看得見的歐姆定律實(shí)驗(yàn)演示教具圖示

全新模擬電阻、電壓、電流的實(shí)驗(yàn)演示教具主要由“L”型箱體結(jié)構(gòu)、引水槽、水槽三大結(jié)構(gòu)組成。

演示時(shí)，水槽中注滿水，打開水泵開關(guān)，看得見的歐姆定律實(shí)驗(yàn)演示教具通過(guò)水流、水壓以及水輪轉(zhuǎn)速的變化模擬電阻、電壓、電流之間的關(guān)系。

因?yàn)樗畨旱拇笮∮伤坏母叩筒顩Q定，電壓的高低由電位的高低差決定，所以，把電壓比擬為水壓。保持滑動(dòng)變阻器撥片在右側(cè)固定位置不變，當(dāng)水位撥片向下移動(dòng)時(shí)，看出水位高低差變小，此時(shí)水壓會(huì)變小，同時(shí)水輪的轉(zhuǎn)速變慢；當(dāng)水位撥片向上移動(dòng)時(shí)，看出水位高低差變大，此時(shí)水壓變大，水輪的轉(zhuǎn)速變快。在電路當(dāng)中，電阻不變時(shí)，電壓變化的同時(shí)電流也會(huì)隨之變化，即電阻不變時(shí)，電壓越大電流越大；電壓越小電流越小。

保持水位撥片在固定位置不變，當(dāng)滑動(dòng)變阻器撥片逐漸向左移動(dòng)時(shí)，可看到被阻擋的水越來(lái)越多，且到一定程度時(shí)，水輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在電路當(dāng)中，電壓不變時(shí)，電阻變化的同時(shí)電流也會(huì)隨之變化，即電壓不變時(shí)，電阻越大電流越小；電阻越小電流越大。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開開關(guān)，電壓表測(cè)量被測(cè)電阻兩端電壓，電流表測(cè)量電流。此時(shí)可通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)以及公式計(jì)算阻值大小，斷開電路的開關(guān)后，打開電阻表開關(guān)，測(cè)量電阻阻值，用于驗(yàn)證歐姆定律（誤差忽略不計(jì)）。

5 電路設(shè)計(jì)

教具的電路圖如圖2所示。

圖2 教具的電路圖

在電路中有兩個(gè)電阻，一個(gè)用于調(diào)節(jié)電壓，一個(gè)作為電路中的被測(cè)電阻。由于在探究電流與電阻之間的關(guān)系時(shí)，需調(diào)節(jié)被測(cè)電阻的阻值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以為了實(shí)驗(yàn)方便，在教具中用滑動(dòng)變阻器當(dāng)作被測(cè)電阻，并且串聯(lián)一個(gè)電流表測(cè)量電路中的電流，在被測(cè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表，用于測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓。電路中的用電器“LED”是為了防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電壓、電流過(guò)大導(dǎo)致電源被短路。

6 3D建模

為了加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的印象，水輪以及滑動(dòng)變阻器撥片等位置采用了3D打印技術(shù)。并且在設(shè)計(jì)的時(shí)候，遵循了設(shè)計(jì)三原則：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)化、質(zhì)量最輕化、載重最大化。整個(gè)“L”型箱體采取木制材料，水槽、引水槽均由亞克力組成，打印件由PLA材料打印而成。

7 制作與試驗(yàn)

在制作的過(guò)程中，首先完成了電路部分，并且將電路焊接出來(lái)；其次制作箱體結(jié)構(gòu)，打磨過(guò)后為了讓教具更加美觀、不易變形，在教具表面樹脂硬化防水處理；制作完成后，教具進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)它的功能已經(jīng)全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

指導(dǎo)教師：李瀛宇。

G633.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.056

2095－6835（2020）01－0139－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕