創設計算體驗平臺 突破滑動變阻器的選擇難點

鄧廣廣

摘? ?要：通過設定具體數值和現場實驗操作來具體分析滑動變阻器的限流式和分壓式接法，讓學生通過切身體驗來突破滑動變阻器接法這一教學難點。學生通過實際數據計算以及相應的實驗驗證，能夠理解和掌握滑動變阻器的限流式接法及分壓式接法。整個過程中需要創設學生能夠直接參與的情境，讓學生參與和體驗后并有所發現。

關鍵詞：滑動變阻器接法；體驗式；計算平臺；實驗驗證

高中物理電學實驗中的滑動變阻器的選擇及接法問題，是高考實驗題中的基礎性問題，同樣也是高中物理教學過程中的難點之一。學生覺得這個問題難的關鍵原因是電路中電壓或電流會隨著滑動變阻器阻值變化而相應地改變，且這個變化關系不是簡單的線性關系。特別是在滑動變阻器的分壓電路中，學生無法直觀獲取電壓變化與電阻變化直接的圖形聯系。本文通過創設計算平臺的方式，讓學生在定量計算中體驗選取不同變阻器時對電路的不同影響，再與表盤相對應，從而突破不同變阻器難以比較、難以選取的難點[ 1 ]。將這一將抽象問題具體化的分析方法能夠幫助學生更深刻地理解滑動變阻器的工作原理和選取規則，突破電路實驗中滑動變阻器接線的教學難點。

1? 學生已有知識和現行教學難點

學生在初中已經學習過測量電阻的實驗電路原理圖，知道測量電路和供電電路的概念，但對限流式和分壓式兩種接法的區別和聯系不清楚。在高中物理電學實驗學習中，測量電阻的供電電路會根據實際情況選擇不同接法，如圖1所示的滑動變阻器的限流式接法和分壓式接法兩種方式。但是學生無法直觀地感受到滑動變阻器的全阻值與待測電阻之間的大小關系對于這兩種接法的影響，從而難以把握滑動變阻器的比較、選取和接法問題。

2? 課標要求和理論依據

根據《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）要求，學生應知道滑動變阻器的工作原理，同時需要在物理實驗中創設學生能夠直接參與的情境，讓學生參與和體驗后并有所發現[ 2 ]。按照皮亞杰的認知發展理論可知，中學生的認知發展水平處于形式運算階段，其抽象思維和純符號化思維都得到了發展，但是還不夠全面。處于形式運算階段的學生能夠對兩種或兩種以上的變量進行處理，不過還是需要通過形象化的計算和推理來輔助考慮事物的發展與變化，并對可能發生的事件進行邏輯性假設，從而總結出事物內部的一致性或之間的邏輯關系[ 3 ]。根據高二年段學生的思維方式，教師需要通過情境設計，來逐步引導學生構建完整的物理實驗思維方式，從而輔助學生掌握滑動變阻器的選擇和接法問題。

3? 教學實踐

3.1? 創設計算平臺，分析限流式接法

從表格數據中可以看出，當滑動變阻器選擇1000 Ω規格時，Ux的取值范圍最大，提出問題：是否測量范圍越大越合適？

情境2：假定1000 Ω阻值規格的滑動變阻器線圈共100匝，電源電動勢E＝10 V，內阻不計，Rx=10 Ω，讓學生通過計算可得出滑動變阻器不同阻值下Ux的取值范圍如表2。

同時，根據表盤的特征，可將Ux對應值在表盤上標識出來，如圖3。

從以上數據分析得知，雖然1000 Ω規格的滑動變阻器能夠獲得大范圍的測量電壓，但是實驗操作不方便，可用有效值太少。可見采用限流式接法時并不是滑動變阻器越大越好。

情境3：假定滑動變阻器阻值規格30 Ω線圈有100匝，電源電動勢E＝10 V，內阻不計，Rx=10 Ω，讓學生通過計算可得出滑動變阻器不同阻值下Ux的取值范圍如表3所示。

同理，根據表盤的特征，可將Ux對應值在表盤上標識出來，如圖4。

計算結果發現當滑動變阻器的全阻值R0是負載Rx的2～5倍左右時，可得到較理想的測量范圍和有效測量數據。

實驗操作驗證：分別選擇滑動變阻器的全阻值R=1000 Ω和R=30 Ω，待測電阻Rx=10 Ω，請學生通過現場實驗操作對上述結論進行驗證，加深學生對于上述計算結論的理解。

3.2? 創設計算平臺，分析分壓式接法

當供電電路采用如圖5所示分壓式接法時，通過計算可得待測電阻兩端電壓的取值范圍為0≤Ux≤E。提出問題：應選擇什么規格的滑動變阻器能夠使測量方便且能獲得更多的有效測量數據？

情境4：假設滑動變阻器阻值規格1000 Ω線圈共100匝，電源電動勢E＝10 V，內阻不計，Rx=10 Ω，讓學生通過計算可得出滑動變阻器不同阻值下Ux的取值范圍如表4所示。

同理，根據表盤的特征，可將Ux對應值在表盤上標識出來，如圖6。

從以上數據分析得知，雖然1000 Ω規格的滑動變阻器在分壓接法下能夠獲得大范圍的測量電壓，但是操作不方便，可用有效值極少。

情境5：假設滑動變阻器阻值規格1 Ω線圈共100匝，電源電動勢E＝10 V，內阻不計，Rx=10 Ω，讓學生通過計算可得出滑動變阻器不同阻值下Ux的取值范圍如表5，并在如圖7表所示盤上標識出來。

從以上數據分析得知，當滑動變阻器全阻值比負載Rx小時，既能獲得較大的測量范圍，又能得到較多的有效測量值。

實驗驗證：分別選擇滑動變阻器的全阻值R=1000 Ω和R=1 Ω，待測電阻Rx=10 Ω，用現場試驗對上述結論進行驗證，實驗中發現，當滑動變阻器全阻值比負載Rx小時，不僅能得到較多的有效測量值，實驗操作也更加方便快捷。

3.3? 典例分析

例1.需要測量阻值約30 kΩ的電阻Rx，現具有滑動變阻器（最大阻值2 kΩ，額定功率1 W），則供電電路應選圖8的________圖。

解析：本題中待測電阻阻值約為30 kΩ，但是滑動變阻器的全阻值為2 kΩ，若采用圖8甲所示的限流式接法，則Rx兩端的電壓可調節范圍僅為0.94E～E之間，可調節范圍很小，且調節不方便。若采用圖8乙所示的分壓式接法，則Rx兩端的電壓可調節范圍為0～E之間，可測量范圍廣，且調節過程中Rx兩端的電壓能夠相對均勻變化，可選用數值多，故應選圖8乙圖。

例2.負載Rx約為5 Ω，滑動變阻器R（阻值范圍為：0～20? Ω）、直流電源E（ε=3 V，內阻不計）導線、開關若干。現需要用以上器材進行實驗測量，記錄數據如表6。

由表6中實驗數據可知，在測量Rx過程中采用的是圖9中的“A”或圖9中的“B”？

解析：本題同樣需要測量Rx的阻值，從題設表格中得出，實驗過程中Rx兩端電壓測量范圍為：0.10 V～2.30 V，采用A圖所示電路時，Rx兩端電壓測量范圍為：0～3 V，且分布相對均勻，符合題設要求。而采用B圖所示電路時，Rx兩端電壓測量范圍為：0.6 V～3 V，無法滿足題設要求，故應選擇A圖。

4? 歸納與總結

綜合以上得知，限流式接法的優點為結構簡單，連接方便，通常當滑動變阻器全阻值為待測電阻2～5倍且不要求測量范圍從0開始時使用；分壓式接法待測電阻電壓從0開始測量，且測量范圍廣，通常當滑動變阻器全阻值比待測電阻小，或者需要待測電阻電壓測量范圍從0開始時使用[ 3 ]。但是本文采用的方法僅為計算數據和電表表頭的偏轉情況，缺乏直觀的圖像分析，下一步可以通過與GeoGebra軟件結合的方式來獲得直觀的圖像。

通過創設計算模型并結合實驗操作，給學生一個直觀的分析印象，教學效果得到了很大的提升。利用學生熟悉的計算平臺來突破一些非線性關系問題的難點，能夠幫助學生更好地掌握相關內容。滑動變阻器的選擇和接法問題還是要從最根本的串并聯知識去理解感受，通過創設計算平臺，有效突破教學難點，增強學生的直觀體驗感，提高學生科學探究和邏輯思維能力，達到教與學共贏的局面[ 4 ]。

參考文獻：

［1］ 吳志山.Excel助陣，難點巧突破：談分壓與限流電路中滑動變阻器的選取[J].中國教育信息化，2010（22）：52-53.

［2］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京：人民教育出版社，2021：6.

［3］ 唐春波.針對近年高考，談談電阻測量方法[J].物理教學探討，2007，（22）：17-19.

［4］ 王燁麗.基于GeoGebra軟件定制物理工具突破滑動變阻器選擇教學難點[J].物理通報，2023（4）：121-125.