多用电表测量二极管阻值的变化及实验教学反思①

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210000)

1 问题的提出

1.1 教材中对于问题的描述

在人教版高中物理选修3-1第二章第八节“多用电表的原理”中,介绍了利用多用电表的欧姆挡来直接测量电阻的原理;在第九节“实验:练习使用多用电表”中,安排了测量二极管正反向电阻的相关实验,以验证二极管的单向导电性。同时,在脚注部分,教材说明了对于使用不同欧姆挡测量同一二极管的阻值会相差很多这一现象。但对于产生这一现象的原因,教材中的解释仅为“二极管是非线性原件,它的阻值与通过电流的大小有关”,其着重点为判断二极管的好坏,以及区分其正负极,并说明了“读出的电阻数值没有实际意义”。如果不通过实验,学生很容易忽略这一问题,教师也可能像教材一样对这一内容一笔带过。

1.2 实验中的黑箱问题

在教材的“问题与练习”部分,包括一些竞赛类的实验中,都设有电学黑箱实验,使用多用电表探究黑箱内的电学元件。有的黑箱中放置了二极管,学生通过使用多用电表的欧姆挡,利用红黑表笔进行正反向的测量,可以得知接线柱之间二极管的存在及其摆放方向。有的学生会在实验之余想要测量出二极管的正向电阻,如果用欧姆表的不同挡位来进行测量,就会发现阻值并不相同,进而引发进一步的探究。

以MF47型多用电表为例,测量电学元件黑箱中二极管的正向电阻阻值如表1所示。由此可以清楚地看出,用不同欧姆挡测出的阻值确实有很大的差别。

表1

2 理论分析

2.1 多用电表的内部结构

多用电表欧姆挡内部结构原理如图1所示，当改变挡位时,电表内部电池的电动势没有改变,但多用电表的内阻值发生了很大的变化。[1]由于各挡位的内阻值等于中值电阻(即欧姆表盘的中间刻度值)，MF47型多用电表的×1挡的内阻为16.5Ω,×10挡的内阻为165Ω,而×100挡的内阻为1650Ω……可见,以10倍的倍率改变挡位时,其内阻也在以10倍的倍率改变。

2.2 二极管的伏安特性

二极管为非线性元件,其正向电阻大小与通过的电流大小有关,并非为一定值,即与加在其两端的电压大小有着直接的关系。以硅管为例,其加正向电压时的伏安特性曲线如图2所示。当加于在其两端的正向电压小于0.5V时,二极管表现出很大的电阻,并且电阻值随着电压的升高而缓慢减小;当所加正向电压大于0.5V时,二极管的电阻会迅速减小。

图1

图2

3 实验测量与结果分析

将调至欧姆挡的多用电表看作电源,其电动势为一节干电池的电动势,内阻由电池的内阻r和表内串、并联的电阻及表头的内阻r0组成。将多用电表接入带有滑动变阻器的电路中,在不同量程下,测量得到电源的I-U特性曲线如图3所示。

图3

图4

由图3可知,当改变挡位时,多用电表相当于一个内阻在改变的电源,选择挡位的倍率越大,其内阻就越大,用其来测量同一个电学元件时,加在其两端的电压就会发生改变。若待测元件为线性元件,其阻值为定值,那么改变挡位对测量结果不会产生影响。但由于二极管为非线性元件,电阻并非定值,就会出现用不同挡位时所测阻值不同的现象。通过图像不难发现,当使用×1挡时,多用电表欧姆挡的内阻较小,测量二极管时其红、黑表笔之间的输出电压较高,因此二极管电阻的测量值较小;当扩大挡位的倍率之后,电表的内阻变大,红、黑表笔之间输出电压随之降低,二极管电阻的测量值随即变大。[2]

将图2与图3相结合,可得图4结果,图中三条直线与曲线的三个交点所对应的横、纵坐标即为二极管在不同量程下的电压和电流值。从图4中可以直观地看出：在不同挡位下,红、黑表笔间提供给二极管的电压不同,测得二极管的电阻也就不同,用×1挡测得的电阻最小。

4 对教学的启示

4.1 关于学生实验能力及问题提出能力的培养

黑箱实验为学生的拓展探究项目,在现行教材中,作为学习多用电表之后的练习题,体现了新课标对实验的重视,对学生动手实验和探究能力也有了进一步的要求。在这样的大背景下,教师更应该注重对学生的引导。黑箱实验作为一个探究性实验,有许多值得挖掘和研究的地方。在常规的探究内部电学元件的实验中,学生通过多用电表的使用,测量各接线柱之间的电压、电阻等数值,判断其中的元件类型,由此可以培养学生的自主实验能力和思维能力。[3]同时结合教师的适当引导,学生在实验的过程中也能够发现一系列新的问题,例如本文中提到的二极管正向阻值的问题。此类问题如果不通过亲身试验,仅仅是依靠书本上的几句话来进行原理说明的话,很可能被学生忽略,也不容易为学生所理解。通过实验进一步提出衍生性的问题,不仅培养和锻炼了学生发现问题、提出问题的能力,也使学生充分体验了科学探究的完整过程,提高了问题意识。同时,通过实验,学生能够更好地掌握和理解物理知识。

4.2 关于教师实验教学方法的思考

对于教师来说,要正确引导学生进行自主实验,在适当介绍实验原理及步骤之后,应放手让学生来对黑箱的内部结构进行探究,适时加以指导。教师不应照本宣科,仅仅教授课本中所提到的内容,这样便固化了学生的思维,而应充分给予学生自主的思考空间,由问题引发实验探究,再由实验诱发新的问题,如此良性循环,提高其科学探究能力。