實驗方案的設計與優化

陳茜

【摘要】以初中物理教學內容“電功率的測量”為例，指導學生設計出不同的實驗方案測量白熾燈電功率，并從實驗原理、可行性方面對實驗方案進行優化，選出最優方案.在此過程中，提高學生的實驗能力，思維能力，提升學生的科學素養.

【關鍵詞】實驗方案;物理教學;科學素養

物理是一門以實驗為基礎的學科，在中考中實驗題也占據了很大的比重.在實驗的復習中，要特別重視實驗過程中涉及的物理學思維方法，不僅要在體驗中學習，而且要關注對不同實驗方案的評價與交流.在實際操作中，不僅要考慮的實驗原理的正確性，還要關注實驗方案的可行性.通過評價與交流，讓學生提高實驗能力、表達能力、計算能力，知道自己實驗設計的不足，會對實驗方案進行設計與優化，選出最優方案.

電功率的測量是初中電學的重點內容，是中考中的必考內容，本文以復習課“電功率的測量”為例，指導學生設計出不同的實驗方案測量白熾燈電功率，并從實驗原理、可行性方面對實驗方案進行優化，選出最優方案.

1 實驗方案的選擇——實驗原理的正確性

問題1 測量白熾燈的電功率，用到的實驗原理和實驗器材是哪些？

完成相關練習題一道（如圖1），請學生按照題目中的要求演示實驗并回答相關問題，借此復習伏安法測燈泡電功率的實驗.

練習 在測定“小燈泡電功率”的實驗中，電源電壓為4.5V，小燈泡額定電壓為2.5V、電阻約為10Ω.

（1）請用筆代替導線，把實物圖2補充完整.

（2）閉合開關前，滑動變阻器的滑片P應位于 （選填“A”或“B”）端.

（3）閉合開關后，移動滑動變阻器的滑片P，發現小燈泡始終不亮，電壓表有示數，電流表無示數，原因可能是 .

（4）電路故障排出后，閉合開關，移動滑動變阻器的滑片P到某一位置時，電壓表示數如圖2所示，為 V，若想測量小燈泡的額定功率，應將圖1中的滑片P向 （選填“A”或“B”）端移動，使電壓表的示數為2.5V.

（5）觀看實驗過程，小燈泡的額定功率是 W.

設計評析 教師利用學生比較熟悉的問題引入，學生較容易的答出實驗原理是P=UI，實驗器材是電流表、電壓表.

問題2 上述原理適用測量實驗室小燈泡的電功率，如果是家用白熾燈呢？

此時，學生能夠答出實驗原理是P=Wt，實驗器材是電能表、秒表.

設計評析 通過上述兩個問題，讓學生初步了解到，根據所需測量用電器的不同，所選則的實驗原理、器材、方案也應是不同的，為后續實驗方案進一步的選擇做鋪墊.

問題3 如圖3所示電能表，電能表示數是多少？電能表參數“1600imp/kWh”的含義？如何知道一段時間內用電器消耗的電能？

問題4利用此電能表和秒表，設計出具體方案，測量白熾燈電功率.

學生經過小組討論，會給出如下幾種不同的實驗方案.

方案1 關閉其他用電器，只讓白熾燈工作.通電1min，測電能表示數差;

方案2 關閉其他用電器，只讓白熾燈工作.觀察電能表示數，消耗0.1kW·h電能，測所用時間t;

方案3 關閉其他用電器，只讓白熾燈工作.通電1min，測電能表指示燈閃爍次數n;

方案4 關閉其他用電器，只讓白熾燈工作.電能表指示燈閃爍1次，測所用時間t.

2 實驗方案的選擇——實驗方案的可行性

問題5 如果想在本節課，用秒表和上述電能表，測出下圖4一只標識為“220V 100W”的白熾燈的額定功率，你會選擇哪種方案？請通過計算說明.

設計評析 通過上述問題，引導學生通過計算，分析各個方案的可行性，從而根據實際情況選擇最優方案.

學生經過小組討論和計算，得出每種方案中要測量的數據大概為多少，再根據測量儀器的分度值等實際情況，分析能否方便、準確的測量出各方案中需要測的數據，從而判斷此方案是否可行.

方案1 W=Pt=0.1kw×（1/60）h=0.0017kW·h，小于電能表的分度值為0.1kW·h，因此無法測出，方案不可行;

方案2t=W/P=0.1kW·h/0.1kw=1h，時間太長，無法在本節課堂上測出，方案不可行;

方案3 W=Pt=0.1kw×（1/60）h=0.0017kW·h，n=1600imp/（kW·h）·W≈2.7次，不是整數，無法數出次數，方案不可行;

方案4 W=1imp/1600imp/（kW·h）=1/1600kW·h=2250J，t=W/P=2250J/100w=22.5s，可以用秒表測出此時間，方案可行.

最終選擇方案四作為最優方案，并進行實際測量.在實際操作中，燈泡在220V電壓下工作，讓電能表閃爍一次用時為21.2s，計算得出燈泡的額定功率：P=W/t=2250J/21.2s≈106.1W，大于其所標識的100W，可以引導分析討論原因：可能是由于時間測量誤差，或燈絲電阻偏小所致.

3 功率計量插座——新的選擇

介紹功率計量插座，如圖5可以直接在表盤上讀出電功率的大小，操作簡單快捷.用此功率計量插座，可以完成系列電學實驗.

實驗1 將白熾燈接入電路，發現實際功率由剛接通時的111.9W，逐漸下降，最終下降至111.4W.

學生討論原因 根據公式P=U2/R，功率逐漸降低的原因可能是溫度升高，燈絲電阻在變大.

實驗2 將一盞臺燈接入電路，臺燈亮度有三個檔位，亮度高、中、低時對應的實際功率分別為：7.9W、4.6W、2.3W.

學生討論原因 實際功率越大，燈泡越亮.

教師追問 實際功率大的燈泡就一定更亮嗎？

實驗3 將一盞白熾燈和一盞LED燈并聯接入電路，發現實際功率為6.8W的LED燈比實際功率為41.6W的白熾燈亮.

學生討論原因 燈泡亮度不僅和實際功率有關，還和燈泡種類有關.LED的發光效率比白熾燈高.

設計評析 由此系列實驗，學生能體會到功率計量插座的優越性，它簡單便捷，可直接讀出功率大小，幫助我們驗證一些理論知識.

由功率計量插座完成的實驗一，我們還發現了一個比較有趣的現象：將白熾燈接入電路的前15內，發現實際功率由剛接通時的111.9W，逐漸下降，最終下降至111.4W，畫出其電功率隨時間的變化圖像如圖6所示.而白熾燈泡的亮度卻是逐漸升高的.

這和我們之前認知的燈泡實際功率卻高，燈泡亮度越大不太吻合.我們對此現象的原因作出猜想：白熾燈是一種熱輻射光源，電流通過鎢絲后由于電流的熱效應會使鎢絲加熱到白熾狀態，其溫度可高達兩千攝氏度到三千攝氏度之間，燈絲在處于白熾狀態時，就像燒紅了的鐵能發光一樣而發出光來.燈泡接入電路中，溫度越來越高，所以其亮度逐漸升高.燈泡的亮度不能只看實際功率.在此也提醒同學們學習時盡量避免思維定勢.

4 結語

本堂復習課中學生設計出了不同的實驗方案測量白熾燈電功率，并在教師的引導下從實驗原理、可行性方面對實驗方案進行優化，選出最優方案.在選擇實驗方案過程中，學生的實驗能力、思維能力，計算能力得到提高，達成本節課的學習目標.

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