《电表改装》引发的思考

陈智昌

【摘 要】基础教育肩负着为建设创新型国家培养人才打下坚实基础的伟大历史使命。但长期以来，只要提到创新就是那些高深的、复杂的创新性思维，令人望而生畏。教师也不知从何入手，才能让学生逐步掌握这种能力。其实，高中阶段的创新性思维的培养不必强调“无中生有”，完全可以降低为“改善变形”，可以是“一生二，二生三，三生万物”的渐进式培养；教师的启发式提问可以让学生慢慢领会创新的意义，通过学生深入思考问题直至解决问题达到渐悟以至顿悟，领略物理创新思维之美。本文以高中物理粤教版选修3-1中多用电表改装为例，浅谈在高中物理教学中培养学生创新性思维的体会。

【关键词】高中物理；电表改装；创新思维；培养策略

一、小量程的灵敏电流计（G表）改装为大量程的电压表（V表）

G表不仅能测量电流，也可以通过稍加更改测量电压。具体的方法是：由U1=I1R？弈可知，当有电流I1通过G表时，表的两端也有电压，只要将显示电流数值的表盘更换成反映表两端电压数值的电压表盘，则该表就变成测量小电压的电压表。值得说明的是，由于U？弈=I？弈R？弈，因此，G表雖然可以直接测量电压，但量程很小，用其直接测量大电压时同样需要改装，改装的方法可以在教师的指导下由学生自己完成。

【案例1】如图1所示，一个满偏电流为I？弈、内阻为R？弈的G表，现在我们要把它改装为大量程的电压表，应该怎么完成？

师：由于G表测量电压的量程太小，不能直接用G表测量高电压，要将其改装为大量程的电压表，根据电流表改装的启发，应怎样完成改装？

生：由串联电路的特征可知，可以给G表串联一个阻值更大的电阻R进行分压，让尽可能多的电压加在电阻R两端，这样就可以用G表测量大电压，使其量程变大，如图2所示。

师：这样改装后，指针指示的读数是测量所需要的大电压U吗？

生：不是，指针指示的读数仍然是加在G表的电流U1。

师：怎样进一步改进能使表盘指示的读数为大电压U呢？

生：根据电流表改装的经验，由 知， ，U与U1是一一对应的关系，知道U1就可以知道U，同时U与U1成正比。我们也可以再制作一个刻度盘，按照以上关系，把U的数值与U1和数值对应标出来，如图3所示。则当流过G表电流为I1时，加在G表的电压为U1，电路中的大电压为U；当流过G表电流为I？弈时，加在G表的电压为U？弈，电路中的大电压为Um。然后按图4把G表和R包装成一个整体，这个整体只看到电路中的大电压U和显示电路大电压的刻度盘。这样就完整的完成大量程电压表的改装。

师：将量程很小的G表分别改装成量程较大的电流表、电压表时，用于分流和分压的电阻有什么特征？

生：分流时电阻很小，分压时电阻很大，因此，改装成电流表时应并联小电阻，改装成电压表时应串联大电阻。

在电流表改装的基础上，进一步激发学生的创新欲望，让学生自己完成电压表的改装，这对培养学生的创新能力是一个巨大的促进作用。

二、灵敏电流计（G表）改装为直接测电阻的欧姆表（Ω表）

由以上案例可知，G表可以通过恰当的改变和组合能将其改装为测量大电流和大电压的电流表、电压表，从上述改装过程可以看到，虽然表的结构有所改变，但基本的测量原理没有变化，变化的是将“小”进行了放“大”，以满足实际的要求。那么，能否通过“更大”的改变将G表改装成能直接测量电阻阻值的欧姆表？下面对这个问题进行尝试。

【案例2】如图5所示，一个满偏电流为I？弈的G表，现在要把它改装为可以直接测电阻阻值的欧姆表，应该怎样做？

师：电流表的工作条件是电路中必须有电流，用G表直接与电阻连接测量电阻的阻值，电流表没办法工作，怎么样才能使电流表工作？

生：可以将一个电源与G表串联，使其能正常工作。

师：这个电源有什么要求？

生：由于G表量程很小，所以选择的电源必须是电压不太大的直流电源，如图6所示（电源的电动势和内阻分别为E、r）。

师：将电源接在G表上，测未知电阻时，怎么读数呢？

生：利用 ，得到 ，可见，Rx与I是一一对应关系，知道Rx就可以知道I，如图7所示。

师：这样改装虽然可以测量未知电阻的阻值，但不能直接从刻度盘上读出阻值，改装还不够完善，怎样才能直接得到电阻的阻值？

生：根据电流表改装的方法，可以尝试再制作一个有电阻标志的欧姆刻度盘，利用公式 ，分别计算出每个电流对应的电阻，再将计算的结果标记出来，就可以获得新制作的欧姆刻度盘。

师：这个想法很好，但要得到方便读数的欧姆刻度盘，还必须要进行一些必要的设置。

师：测量电阻的阻值大小范围是0≤R<∞，如果测量电阻的阻值为零，就设置此时的电流达到满偏I？弈；如果测量电阻的阻值为∞（电路开路），就设置此时的电流为零，按照这种设置，欧姆刻度盘与电流刻度盘有怎样的对应关系？

生：刻度盘（共用）电流刻度为零处（最左边处）电阻刻度为∞，电流刻度为满偏I？弈处（最右边处）电阻刻度为0。

师：当测量电阻的阻值为零时，不能确保电路中的电流一定达到满偏I？弈，怎样才能使此时电路中的电流满偏I？弈？

生：可以在G表电路中串联一个滑动变阻器进行调节，如图8所示。

师：按照这种设置，每次测量电阻阻值时，首先必须进行什么工作？

生：测量电阻前，将外接电路短路，通过调节R使电路中的电流达满偏I？弈，再进行测量。

师：非常正确，在测量电阻的实验中，这一步叫欧姆凋零，滑动变阻器R称为调零电路。

师：改装后测量电阻的欧姆表其量程是0-∞，可以测量所有电阻的阻值，最后把G表、滑动变阻器、电源全部包装在一起，制作出与电流相对应的电阻刻度盘，就可以制作成一个直接测电阻而且能读数的欧姆表了，理论上欧姆表可以用于测量任何电阻的阻值。

师：测量电阻的欧姆表刻度盘上的刻度是均匀的吗？

生：由 知，欧姆表刻度盘上的刻度是不均匀的，基本特点是，第一，小电阻部分刻度比较疏，大电阻部分刻度比较密；第二，靠近中间部分（■～■ 满偏之间）相对均匀一些。

师：为了使测量电阻的结果更加精确，一般期望指针指在什么位置效果会更好？

生：刻度分布相对均匀的中间附近位置。

师：由于中间附近刻度的区域有限，在测量电阻阻值时，对阻值差异较大的电阻，要想使测量时均可以让指针指在中间附近刻度，有什么方法可以做到？

生：象改装电流、电压表一样，可以通过设置不同的量程来实现。

师：想法是正确的，欧姆表中这种设置称为倍率，由于这个问题比较复杂，以下将欧姆表中设置不同倍率的方法介绍一下。

师：所谓倍率的设置是这样的，假设欧姆表表盘上中间刻度为20Ω，如果用该表测量两个阻值分别为2000Ω、20000Ω的电阻，让指针均指示在20Ω附近（准确性最高），就必须分别设置“×100”、“×1000”（“×1000”也称为“×1k”）两个倍率，当使用倍率“×100”挡时，若指针指在20Ω附近位置，则此时测量电阻的阻值约为Rx=20×100Ω=2000Ω；当使用倍率“×1k”挡时，若指针指在20Ω附近位置，则此时测量电阻的阻值约为Rx=20×1kΩ=20kΩ。

在欧姆表改装的问题上，学生遇到困难，教师针对这些困难恰当进行引导，使学生在创新思维的培养上逐渐进入正轨。

学生创新思维的培养过程是一个循序渐进的过程，要求教师抓住一切可能的机遇用不同的方法向学生渗透创新意识，课堂教学中启发式提问应是一个不错的方法，它既可以激发学生的创新热情，又能培养学生的创新思维能力，可以在课堂教学中进行一下尝试。