二次开发教材 探究电阻定律
2016-04-15陈小雅
陈小雅
摘 要:本文利用自制教具,创造性地使用教材,引导学生设计并探究电解质溶液(硫酸钠溶液)的电阻与其长度、横截面积的关系,帮助学生更全面地认识电阻定律。
关键词:液体电阻;电阻定律;长度;横截面积
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2016)3-0032-4
《普通高中物理课程标准》明确提出:“倡导不受某一种教科书的束缚,吸收和利用各种有利于学生发展的课程资源。教师应根据本校特点和学生的需求,精选课程资源,充实物理课程的教学内容。”可见,在新课程背景下,教师不能再只是“教材的消费者”,更应努力成为“教材的开发者”。另外,由于教材编写受科学性、完整性和逻辑性的要求,往往会缺乏趣味性。而从教科书演变成实际教学活动的过程,又需要师生积极互动、智力交锋、相互启迪、设问释疑、轻松和谐的氛围,单纯的教材是无法满足教学要求的。因此,二次开发教材,提高教学的有效性是每位教师都应努力的方向。那么,如何进行教材的二次开发呢?
以“司南版”高中物理选修3-1第三章第二节《电阻》为例,教材分为“探究电阻大小影响因素”和“身边的电阻”两部分。笔者根据所教学生的具体情况以及校本资源储备,对该部分教材进行了二次开发。
(1)补充教材内容:增加了探究电阻大小受温度、光照、溶质和浓度等因素影响的系列实验作为引入,补充介绍液体电阻启动柜等知识,既增强了趣味性,又拓宽了学生的知识面。
(2)调整教学顺序:将“身边的电阻”调到探究实验之前,作为引入实验和液体电阻的衔接,使教学过渡更自然。
(3)替换教学内容:教材中采用几条同材料同规格的金属丝串联改变长度、并联改变横截面积的方法,让学生定量探究电阻大小的影响因素。该方法设计巧妙,能够达到实验目的。但不够直接,且电路的连接较为繁杂。教学实践中发现,学生在连接电路时要花大量的时间,从而导致后面的分析讨论非常紧张,重点不能突出。考虑到在初中阶段,学生已尝试过利用金属丝定性探究电阻大小与其长度、横截面积的关系,而电阻定律不仅适用于金属导体,也适用于均匀的电解质溶液。为了让高中学生对电阻定律有更宽广、更深入的认识,笔者自制简单的教具,将定量探究的对象由固体电阻改为液体电阻——硫酸钠溶液。引导学生利用自制的教具自主设计实验进行探究,得出电阻定律。
教材二次开发后的具体教学设计如下。
1 引入:“谦卑而又万能的电阻”(演示实验)
【实验准备】
光敏电阻、热敏电阻各一个,三极管放大器、小灯泡各两个,电池四个,凉水和开水各一杯,手电筒一把,导线若干。
1.1 光照对光敏电阻的影响
【学生观察】
光照越强,小灯泡越亮。
【现象分析】
光敏电阻的阻值随光照增强而减小。
1.2 温度对热敏电阻的影响(对比浸入开水和凉水)
【学生观察】
温度越高,小灯泡越亮。
【现象分析】
热敏电阻的阻值随温度升高而减小。
【应用讨论】
光敏电阻可用于路灯自动开关等电路的自动化控制;热敏电阻可用于火警报警电路的自动化控制。
1.3 展示不同种类电阻器的图片,认识“身边的电阻”
【设计意图】
让学生初步了解电阻大小的影响因素,并体验电阻器在自动化控制中的应用,激发学生的学习兴趣。
2 液体电阻
【衔接】
不仅固体可以充当电阻,液体也可以充当电阻。
2.1 展示图片:液体电阻启动柜及水阻箱
【介绍】
这是工业上大中型电机启动时用的液体电阻启动柜。水阻箱内装了电解质溶液可以充当电阻。它是怎样工作的呢?
【设计意图】
通过联系生产中的大型设备,引导学生关注STS,体会物理在生产中的贡献,激发学生学习物理的欲望,同时又为后面的探究实验做铺垫。
2.2 演示实验:溶质及浓度对液体电阻的影响
【实验准备】
电解质溶液导电演示器(化学实验室借用)、高中学生电源(选择“交流”)各一台,现榨橘汁、自来水各一杯,同浓度盐水、硫酸钠溶液各一杯,无水硫酸钠粉末,导线若干。
【学生观察与分析】
(1)连接好电路,接通10 V交流电后,同浓度食盐水支路的小灯泡最亮,硫酸钠溶液支路的小灯泡发光但较暗,橘汁和自来水支路的小灯泡不发光。可见,液体电阻受溶质影响。
(2)浓度对液体电阻有何影响?
在硫酸钠溶液中适量增加无水硫酸钠粉末,小灯泡变亮。可见,液体电阻受浓度影响。
(3)如何让与橘汁串联的灯泡发光?还有什么方法可以使其亮度发生变化?
①改变橘汁中两极板的间距。随极板间距减小,小灯泡变亮;随极板间距增大,小灯泡变暗。可见,液体电阻大小与其接入电路的长度有关。
②将两极板平行上下移动。
(4)极板平行上下移动改变的是什么物理量?
引导学生根据连接方式,找出相应的长度和横截面积并总结:
长度L:沿电流方向;
横截面积S:垂直于电流方向。
可见,极板上下移动改变了液体电阻的高度,从而改变了液体电阻的横截面积。
【设计意图】
通过演示实验让学生初步感受液体电阻大小的影响因素,减少学生实验探究的任务,同时为控制变量做准备。另外,果汁电阻与学生生活联系紧密,让学生体会电阻无处不在,激发学习的兴趣。
3 电阻大小的影响因素
3.1 师生总结
电阻大小与以下因素有关:
(1)与材料、温度、光照、液体浓度等有关;
(2)长度;
(3)横截面积。
【提出问题】
电阻大小与长度、横截面积是怎样的关系?
【学生猜想】
电阻随长度的增大而增大,随横截面积的增大而减小。
【进一步提问】
电阻大小与长度、横截面积具有怎样的定量关系?
【学生猜想】
电阻与长度成正比,与横截面积成反比。
【教师说明】
随着一个量的增大而增大不一定是成正比,随一个量的增大而减小也不一定是成反比,它们具体是什么关系?我们需要通过实验来研究。
3.2 实验设计
(1)实验方法:控制变量法
【提问】
如何控制变量?
【学生】
控制S、材料等不变,改变L,研究R与L的关系;
控制L、材料等不变,改变S,研究R与S的关系。
(2)引导学生根据实验器材设计实验
【提出问题】
如何改变长度?如何改变横截面积?
展示自制教具:
【提出问题】
如何根据桌面上的器材设计实验?
【引导学生设计】
①通过保持极板插入的深度不变,改变两极板间距,即可改变接入的液体电阻的长度;
②通过固定两极板的距离,定量增加液体,即可改变接入液体的横截面积。
【提出问题】
如何测电阻?
【学生】
伏安法。
【仪器介绍】
高中学生电源:使用交流电压4 V输出,以减小溶液中正负离子由于电解而使相对浓度改变。交流电流表:选择量程100 mA,最小刻度2 mA,注意读数。
交流电压表:量程5 V,最小刻度0.2 V,注意读数。
【实验电路】
电源、液体电阻、交流电流表串联,交流电压表并联在液体电阻两端。
【注意事项】
(1)注意保持两极板(铜片)平行且相对;
(2)读数时,应正视刻度,保持视线与刻度面垂直;
(3)每次读数后应立刻关闭电源再进行下一步操作,以减小温度对电阻的影响;
(4)实验结束后,应注意溶液的回收再利用。
【设计意图】
这是本节课的创新所在。
本实验装置,连线及测量都很简单,学生看到装置都能在教师的引导下进行设计。另外,对于固体电阻,学生比较熟悉,在初中已定性探究过了。而对于液体电阻,学生相对陌生些。通过这个实验可以加强学生对液体电阻的认识。选择硫酸钠溶液的好处是其电解后不会产生有毒气体,安全。液体电阻的另一优点是可以通过改变浓度,调整其电阻大小,简单方便。盒子的制作也简单且成本低。
3.3 学生实验探究并由四组同学派代表把数据录入Excel表格(表1、表2)
3.4 数据分析
(1)插入公式计算电阻R,分别作R-L图像和R-1/b图像;
(2)插入过原点的倾斜直线进行拟合(如图3、图4所示);
(3) 误差分析。
【设计意图】
利用Excel表格处理数据,使作图更准确、更高效,既体现了信息技术与物理学科教学的融合,又为课堂争取了宝贵的时间。
3.5 得出结论
【学生归纳实验结论】
导体的电阻R跟它的长度L成正比,跟它的横截面积S成反比,还跟导体的材料有关。
【教师总结】
总结电阻定律,引入新的物理量——电阻率ρ,引导学生得出电阻定律的表达式,并分析各物理量的单位关系。
4 认识电阻率
1.电阻率ρ与电阻R的区别:
ρ反映材料的导电性能,与L、S无关;
R 反映导体的导电性能,与L、S有关。
2.电阻率ρ随温度的变化规律:展示“司南版”选修3-1课本中第55页的图3-10和图3-11,并讨论。
5 生产应用——液体电阻启动柜
液体电阻启动柜工作时,通过机械传动装置使电解质溶液中两平行极板的距离逐渐减小至零,从而使连入电机回路中的阻值平滑减小,实现绕线式大中型电动机的平滑起动,避免冲击电流过大。故液体电阻启动柜广泛应用于工业上大中型电机的启动。
【设计意图:前后联系,学以致用】
液体电阻相对于金属导体而言,较为复杂。很多老师对其望而却步,不敢谈及。但其实只要事先把实验条件设置好,学生是可以理解和接受的。本文中的探究实验设计是笔者经历两个多月不断摸索和改进的成果。多次教学实践发现,学生能很好地根据实验器材,围绕实验目的展开探究,得出结论,并对液体电阻有更深入的认识。利用液体电阻进行实验,不仅能丰富学生的认知,同时缩短实验时间,而且可以通过改变溶液溶度调整电阻大小。相对于固体电阻而言,利用液体电阻进行实验,更简单方便,成本更低。
新课程要求教师既要是课程的实施者,又要努力成为课程的开发者和建设者。这就需要教师们在教学实践中有足够的勇气和毅力,大胆地去尝试调整教材、开发教材,以使教学活动更符合具体的学情和校本需求。尝试的过程是艰辛的,但成果是喜人的!
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(栏目编辑 李富强)