兩例電表改裝的教學

邢海根 傅求寶

摘要：為了提升初中生的物理核心素養，部分地區將電表改裝問題搬上了中考試卷，在中考的導向下，大部分教師通過模型構建并從理論上加以推導，很難體驗到改裝的真實過程。本文介紹一種快速改裝電表的實驗方法，并引入簡易數字化裝備來檢測改裝后電表在分流或分壓上是準確的，旨在培養學生的實際操作能力，提升學生的核心素養。

關鍵詞：電表改裝? 簡易數字化實驗? 內阻

近幾年，部分地區中考物理試題多次出現“電表改裝”類考題，由于內容抽象，所以多數教師應對策略是運用理論推導和計算。這樣學生對知識的理解也只能停留在理論層面上，很難體驗到改裝的真實過程。如何去設計實驗，讓學生真實地去體驗呢？其實實驗室直流電流表和電壓表是最常見的電學儀表，也是學生使用頻率最高的兩種電學儀表，學生對這兩種電表的量程、分度值、使用方法等都非常熟悉，利用實驗室現有的雙量程電流表和電壓表，指導學生進行真實的電路改裝實驗，體驗改裝實驗的整個過程，并用數字化電表檢測改裝電表后在分流或分壓上的準確性，學生在改裝中感受成功的喜悅，同時又能加深學生對電表改裝問題的理解。

一、實驗設計思路與意圖

將電流表的0.6 A擋作為“表頭”，由0.6 A量程改為3 A量程電流表;將電壓表的3 V量程作為“表頭”，改為15 V伏的量程。小量程是大量程的1/5，本身就有“擴程”的改裝成分，讓學生知道，改裝的目的是“擴程”，靈活運用“等效替代法”，用數字式萬用表和數字式毫歐計測出電表的各擋位間電阻以及分流、分壓各電阻器的電阻值，實驗驗證串聯分壓和并聯分流原理，讓學生順利地實現了知識的內化。

二、實驗器材

J1209型和J04004型學生直流電源各一臺（量程為40 A），J0407型電流表兩只，鎳鉻合金絲一根（阻值為1 Ω左右）。HPS2501A型毫歐計一只（測量范圍0～2 Ω，分度值為1 mΩ），DT9205A型數字多用表一只，J0409型電壓表兩只，音響用電位器（0～200 kΩ）一只，滑動變阻器（50 Ω，5 A）1只，開關一只，帶鱷魚夾的導線若干根。

三、電流表的“擴程”實驗及數字化實驗裝備的引入

（一）改裝過程

（1）將電流表的0.6 A的量程改成3 A量程的電流表的“擴程”實驗。

（2）圖1是電流表“擴程”電路圖，按電路圖連接實物圖，電流表A1接0.6 A量程接線柱且與鎳鉻合金絲并聯后再與電流表A2串聯組成。接入開關S、讓滑動變阻器處在阻值最大。

（3）接通電源，閉合開關S，移動滑動變阻器使電流表A2的示數為3 A。

（4）再移動與A1表并聯的鎳鉻合金絲上鱷魚夾的位置，使電流表A1的示數為0.6 A，并記下此時兩鱷魚夾的位置。此時鎳鉻合金絲上通過的電流值為：I絲=I2-I1=3 A-0.6 A=2.4 A。

（二）引入數字化實驗裝備檢測改裝后電表的可靠性

（1）檢測內阻大小

斷開開關S，拆下電流表A1和帶鱷魚夾鎳鉻合金絲，用毫歐計測出A1的“-”和“0.6 A”的兩接線柱間電阻值，R1=1.146 Ω;再測出鎳鉻合金絲的電阻值，R絲=0.286 Ω。

（2）分析改裝電表的分流規律

由并聯電路特點得：U1=U絲得U1=I1R1=0.6 A×1.146 Ω=0.68 V，U絲=I絲R絲=2.4 A×0.286 Ω=0.68 V。不難得出：I1R1=I絲R絲，也就有：R絲=I1I絲R1，因此，實驗符合并聯電路中各支路中的電流與它們的電阻成反比例分配的分流規律。

四、電壓表的“擴程”實驗及數字化實驗裝備的引入

（一）改裝過程

（1）按如圖3所示的電路圖，連接實物電路，將兩個學生電源串聯起來，旋轉電壓按鈕，使兩個電源輸出電壓值和為15 V。電壓表V1接“-”和“3 V”接線柱和電位器R器串聯后，再與電壓表V2的“15 V”接線柱并聯，接上開關S，再使R器和R滑調至阻值最大處。

（2）接通電源，閉合開關S，移動滑動變阻器，使V2表的示數為15 V，達到滿偏，再調節電位器R器，直至V1表的示數為3 V，此時電位器R器分得電壓U器=15 V-3 V=12 V。

（二）引入數字化顯示裝備，檢測改裝后電表可靠性

（1）檢測內阻大小

斷開開關S，將數字多用表的旋鈕開關旋轉至電阻200 kΩ檔位處，測出電壓表的“-”和“3 V”兩接線柱的電阻為R1=2.93 kΩ，再測出此時電位器的阻值R器=11.69 kΩ，再測出電壓表的“-”和“15 V”兩接線柱的電阻為14.75 kΩ。在誤差允許的范圍內，從測量的數據中看出：R2=R1+R器。

（2）分析改裝電表的分壓規律

分析數據：U器U1=R器R1=11.69 kΩ2.93 kΩ≈4，因此，符合串聯分壓原理：串聯電路中各電阻上的電壓與電阻值成正比例分配。

五、教學反思

關于電表的改裝，學生往往忽略“表頭”的內阻，導致改裝后的電表與標準電表所測數據差距較大。部分教師提供改裝電路圖并給出“表頭”的內阻，讓學生計算出所配電阻值的大小，有時為了找到所配阻值的電阻，學生利用電阻絲來進行測量，浪費了很多時間和精力。而本文所采用的方法簡單、省時、省力。引入簡易數字化裝備，可以檢測改裝后的電表內阻關系是否符合電流或電壓的分配規律。實際上也可以引入電流與電壓傳感器，直接來驗證改裝后電表在實際測量時與電流或電壓傳感器的結果一致。初中學生的思維水平較低，認知層次不高，只從理論層面上推導出電表內阻和電表改裝問題是遠遠不夠的，必須在教師的引導下，通過動手實驗，拉長思維過程，通過現象找到本質，在動手操作的實驗中生成知識，實現在“做中學，學中悟”，落實“重過程”，教學在過程中慢“悟”其中的道理。學生通過改裝與檢測，收獲的不只是紙面上的答案，關鍵是培養了創新思維和創新意識。因此，利用實驗室現有的實驗器材，捋清問題的物理原理來源，設計實驗、建立模型，讓學生親自動手操作，并適時引入數字化裝備或數字化實驗來進行檢測，生成第一手的經驗，是探究的真過程，才能真正提升學生的物理核心素養。

參考文獻：

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