高中生物理综合分析与实验探究能力培养

唐昌琳

[摘 要]综合分析和实验探究能力是学生物理学科核心素养的重要组成部分，与“物理观念、科学态度与责任”等要素密不可分。在教学中要不断训练提升学生的综合分析和实验探究能力，这对学生物理学科核心素养的提升和关键能力形成有很好的推动作用。电路设计不仅能激发学生的学习兴趣，还能培养学生的创造性思维能力，提高学生的综合分析和实验探究能力。

[关键词]电阻；电路设计；综合分析能力；实验探究能力

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 16746058（2018）02004102

高中生感到物理难学的原因之一，就是不能把许多零散的物理知识综合起来，分析解决实际问题。用单一知识分析单一的问题，学生都能理解并正确地完成，而用多个知识去分析一个综合问题时，大部分学生就会感到力不从心。在平时的教学过程中，教师应不断强化对学生的科学思维训练，以锻炼学生综合分析、推理论证方面的能力。训练时，应注意由浅入深，由低阶思维不断向高阶思维发展，逐步提升学生分析解决问题的能力。物理教学是思维活动的教学，教学过程中应重视方法，这样經过一定时间的积累，学生的科学思维能力就提高了，对物理学习的畏惧感就减少了。

在设计电阻测量电路之前，学生已经掌握了欧姆定律，知道了磁电式电流表、电压表均是由小量程电流表改装而成，也知道电阻的测量方法有欧姆表粗略测量、伏安法测量、半偏法测量、替代法测量、惠斯通电桥测量等。用以上某个知识或某个方法解决与之对应的单一问题，学生是能够胜任的。但当把这些知识和方法融合在一起，解决稍微复杂的问题时，学生就有困难了。笔者以伏安法测电阻为例，谈谈培养学生综合分析和实验探究能力的策略。

在设计电阻测量电路之前，先复习电路设计的原则，它们是：（1）安全性，保证仪器仪表的安全；（2）准确性（满偏性），指针偏转在满偏的三分之一以上；（3）可调性，在供电部分，通过可变电阻来实现路端电压可调和多次测量。电阻测量电路的设计一般可按以下两步进行：测量部分电路设计，供电部分电路设计。本节课重点学习测量部分电路设计。

伏安法测电阻的实验原理R=U/I。测量电路连接方式有两种，分别为内接法和外接法。

电流表接在电压表的测量范围以内，简称内接法。由于电流表内阻的影响，内接法中电压表测得的电压大于R两端的电压，使得R的测量值偏大。既然两种方法都存在测量误差，只能从中选用一种误差较小的连接方式进行具体测量。当电压表内阻远大于被测电阻R时，电压表分得的电流远小于R的电流，用外接法比较准确。当电流表的内阻远小于被测电阻R时，电流表分得的电压远小于R的电压，用内接法比较准确。如果用RV、RA、Rx分别表示电压表、电流表、被测电阻的阻值，把上面的思路用数学语言表达就是：RV/Rx>Rx/RA时应用外接法测量；RV/Rx

如图3所示，电压表的一端先与电阻一端连接，接通电路后，另一端分别与图中的a、b两点试触一下，如果电压表的读数变化大，则采用外接法测量比较准确；如果电流表的读数变化大，则采用内接法测量比较准确。

在复习巩固以上基本知识后，就可以进行相应的能力训练了。

【例1】 用伏安法测量一个定值电阻的阻值，所需器材及规格如下。

（1）待测电阻R（约1000Ω）；

（2）直流毫安表mA：量程5mA，内阻约50Ω；

（3）直流电压表V，量程3V，内阻约5kΩ。

为了较准确测量该电阻的阻值，请设计测量部分电路图，并写出测定R的表达式。

分析：比较RV、RA、R的大约阻值有RV/R

点评：这是用单一的知识分析单一的问

题，是基本知识的直接运用，属于低阶思维。

【例2】 用伏安法测定一个阻值约为10Ω，额定功率

为2W的定值电阻R的阻值。可供选用的器材有：

直流电压表V1，量程6V，内阻约10kΩ；直流电压表V2，量程30V，内阻约30kΩ；直流电流表A1，量程0.6A，内阻约0.5Ω；直流电流表A2，量程3A，内阻约0.1Ω。

要求选出合适的器材，画出测量电路图，并写出测定R的表达式。

分析：先确定待测电阻额定电流、电压的近似值，这两个值确定了，根据准确性原则就可以选出需要的电表了。

额定电压：U=PR=2×10=4.5（V）。

额定电流：I=U/R=0.45（A）。

电压表选V1，电流表选A1。因RV1/R>R/RA1，所以应用外接法测量。测量电路如图5所示。电压表、电流表读数分别为U、I，则R=U/I。

点评：本题加进了“额定功率”这一限制条件，学生必须掌握额定功率的含义，从中找到被测电阻的额定电压、电流的大约值，再根据安全性、准确性原则选出所需仪表，进而根据伏安法测电阻的知识设计测量电路。从思维角度说，本题比例1又高了一阶。

【例3】 现需测定电流表A的内阻，所给仪器有：待测电流表A，量程10mA，内阻rA约150Ω；电流表A1，量程0.6A，内阻0.5Ω；电压表V，量程3V，内阻3kΩ。请设计测电流表A内阻的测量部分电路，并写出测定rA的表达式。

分析：电流表A能承受的最大电压UA=IArA=1.5（V），达到电压表满偏的一半，可用电压表直接测A两端电压。测量部分电路如图6所示，电压表、电流表的读数分别为U、I，则rA=U/I。

点评：在例1、例2中，电流表、电压表内阻未知，实验器材带来了系统误差。在本题中，由于电流由被测电流表自身读出，电压表的内阻对测量电流没有影响，从实验器材上讲，实现了准确测量（不考虑电表本身带来的误差）。

【例4】 现需测定电流表A的内阻，所给仪器有：待测电流表A，量程0.6A，内阻rA约0.5Ω；电流表A1，量程3A，内阻r1=0.01Ω；电压表V，量程3V，内阻3kΩ；定值电阻R0=4Ω，R1=40Ω。请设计测量电流表A内阻的测量部分电路，并写出测定rA的表达式。

分析：待测电流表A能承受的最大电压UA=0.6×0.5V=0.3V，不到电压表量程的三分之一，直接用电压表测电流表A两端电压不准确。将电阻R0与电流表A串联，则串联

电路能承受的最大电压为Um=IA（rA+R0）=2.7（V），接近电压表量程。测量部分电路如图7

所示，电压表、电流表的读数分别为U、I，则rA=（U-IR0）/I。

点评：将电阻R0与电流表A串联，增大串联电路的电压承受能力，让电压表测量尽可能准确，使用的是电表改装的知识。本题是用电表改装、伏安法测电阻两个知识去解决电压表量程过大和测电流表内阻的两个问题，从问题的难度及综合程度来看比前面几个例题更复杂了。

【例5】 现需测定电流表A1的内阻，所给仪器有：待测电流表A1，量程10mA，内阻r1约40Ω；电流表A2，量程500μA，内阻r2=750Ω；电压表V，量程10V，内阻r3=10kΩ；定值电阻R0=100Ω。请设计测电流表A1内阻的测量部分电路，并写出测定r1的表达式。

分析：电流表A1能承受的最大电压约为0.4V，即便与R0串联扩大电压承受能力，最多能承受约1.4V的电压，用电压表测量电压达不到准确性要求。而电流表A2能承受的最大电压为0.375V，用A2测定A1两端电压可行。测量部分电路如图8所示，电流表A1、A2的读数分别为I1、I2，则r1=（I2r2）/I1。

点评：在常规思维中，测电压一般是用电压表的，用電流表测电压打破了这种常规思维，对培养学生的知识迁移能力、创新思维能力很有帮助。

【例6】 现需测定电流表A1的内阻，所给仪器有：待测电流表A1，量程100mA，内阻r1约40Ω；电流表A2，量程500μA，内阻r2=750Ω；定值电阻R0=7kΩ，R1=70Ω。请设计测电流表A1内阻的测量部分电路，并写出测定r1的表达式。

分析：电流表A1、A2能承受的最大电压分别为4V、0.375V，电流表A2串联电阻R0后，能承受的最大电压U2=I2（r2+R0）=3.9（V），用这个改装后的电压表测电压准确性就高了。测量部分电路

如图9所示，电流表A1、A2的读数分别为I1、I2，则r1=[I2（R0+r2）]/I1。

点评：例5中测量电阻的方法，通常又被叫作“安安法”。本题在例5“安安法”的基础上，增加了电表改装的元素，综合性更强了，对培养学生的综合分析能力起到了积极的作用。

到此，一节课时间基本结束。可给学生留下了两个悬疑：1.电流表内阻测量有“安安法”，电压表内阻测量有“伏伏法”吗？2.欧姆表的内阻测量又有哪些办法呢？请同学们课后研究。

反思：本节课，从伏安法测普通电阻的阻值过渡到测电流表内阻；从简单问题逐步过渡到复杂问题，学生的科学思维能力得到了很好的训练。通过这些测电阻实验方案的设计，使学生的实验探究能力得到了提升。对原有知识的扩展，变式教学法的使用，能让学生学会学习。当他们遇到新事物、新理论时能主动探索，解决各种各样的问题，这也是当今教学改革关注的要点，也是教学的主要目标。

（责任编辑 易志毅）