新型欧姆定律教具

2020-01-16李欣雨李瀛宇

科技与创新 2020年1期

李欣雨，李瀛宇

新型欧姆定律教具

李欣雨，李瀛宇

（雏鹰翊智（北京）教育科技有限公司，北京 100000）

经过调研以及分析表明，现有的欧姆定律实验方法以及教具学生操作起来需要反复拆卸、更换，比较复杂。虽然能够验证欧姆定律的公式，但是不能够直观、形象地观察到电压、电流、电阻的变化以及它们之间的关系，导致很多刚学完欧姆定律没多久的学生记不住这个实验。所以根据现实的需求制作本发明——看得见的欧姆定律，不仅能够实验欧姆定律还能够让人们看得见，用水形象地演示出电阻、电压、电流之间的关系。

欧姆定律；电阻；电压；电流

现有欧姆定律实验教具的步骤太过复杂，仪器也太多，实验老师操作起来很不方便。虽然实验过程的数据可以很清楚看见但是却不能直观、形象看出电阻、电压、电流的变化以及它们之间的关系。

保留现有欧姆定律实验教具的优点，把缺点改进，再组成一个全新的欧姆定律实验演示教具。

1 调查与研究

为了能够了解人们对欧姆定律实验演示教具的需求，以及现有的欧姆定律是怎样进行实验的，通过问卷调研以及网上调研，最终得出现有的欧姆定律实验方法。

1.1 问卷调查

通过问卷调研得出，人们对欧姆定律实验演示教具的需求主要是：实验效果明显，有除数据以外更形象的变化，并且操作简单不用反复拆装线。

1.2 网络调查

通过网上调研找到了欧姆定律的实验教具，这是一个物理的电学实验套装，里面有欧姆定律中要用到的电流表、电压表、滑动变阻器、开关、不同阻值的用电器等。但是经过调研以及分析表明，现有的欧姆定律实验方法以及教具操作起来需要反复拆卸，很复杂，并且不能够直观、形象地观察到电压、电流、电阻的变化以及它们之间的关系，所以现有的欧姆定律实验教具已经不能完全满足人们的需求。

1.3 调研结果

通过问卷调查以及网络调查发现新型欧姆定律实验教具的研究和制作是非常有必要的，不仅方便教师实验，也能加深学生对欧姆定律的理解。

1.4 研究计划

为研究这个问题，制定了详细的研究方案。然后根据研究方案分别制定了详细的调研计划：可行性研究；教具需求功能研究；实验论证。

2 确定教具任务指标

根据调研以及分析，研究和制作的教具一定要具有以下几个功能：实验效果明显，除数据外要有更直观、形象的变化，能够全新模拟欧姆定律实验中电阻、电压、电流之间的关系；使用起来简单，易操作，不用反复拆装线；能够验证欧姆定律实验；外观要精美，便于学生加深实验印象。

3 创意与设计

3.1 第一稿设计

欧姆定律的内容：在同一电路当中，导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。便于观察实验数据，在实验教具中一定要有显示器，显示电压数值、电流数值以及电阻阻值的大小。由于欧姆定律的实验是通过调节电阻阻值从而控制电路中的电压以及电阻大小的，所以要有两个滑动变阻器，一个通过调节阻值控制电路中的电压，一个用于实验中的被测电阻。

新型欧姆定律实验教具应有3个显示器，分别显示电压、电流以及阻值的大小。当打开开关后，教具工作，显示器亮起来，进行第一次实验：保持电阻不变，探究电流和电压之间的关系。滑动被测电阻为一个固定阻值，读出实验数据并记录，移动另一个滑动变阻器，使被测电阻两端的电压为某一数值，读出电流的数值并记录；保持被测电阻阻值不变，移动滑动变阻器，使被测电阻两端的电压为某一数值，读出电流的数值并记录；再用相同方法调整被测电阻两端的电压，并记录数值。最终得出当电阻不变时，电流和电压之间的关系。进行第二次实验：保持被测电阻两端的电压不变，探究电流和电阻的关系。

3.2 第二稿设计

在第一稿设计中，发现设计外观是一个方方正正的盒子，看起来不是很精美，而且违背了设计初衷，所以第二稿设计需要进行外观优化。

在第二稿中，不仅在外观上进行了优化，通过水流，形象并且直观演示出电压、电流、电阻的变化并模拟了它们之间的关系。同时保留了能够显示实验数据的显示器，便于观察实验数据。当接通电源后，教具开始工作，当调节滑动变阻器后，打开显示器的开关即可检测出实验数据。当打开水泵开关后，便能够形象地用水流模拟电压、电流和电阻之间的关系。

3.3 第三稿设计

虽然完成了第二稿设计，但是在外观精美的条件下，如何能够让学生记忆深刻呢？在不断地查找资料过程中做出了下面的调整：为了能够方便观察电阻、电压、电流之间的关系，在第三稿设计中增加了水轮，因为水轮转速的快慢能够直观体现出水压和水流的变化。

在无任何阻挡的前提下，水压越大，水轮转速越快；水压越小，水轮转速越慢。并且增加水轮后，这个教具更加形象地演示出电压、电流和电阻之间的关系，更能够吸引学生的注意，所以能给学生留下非常深刻的印象。

除此之外，采用电阻表、电压表、电流表分别测量电路中的被测电阻阻值、其两端的电压和通过的电流大小。这样，在实验时，可以选择先关闭电阻表，通过电流表和电压表显示的数据，根据欧姆定律的公式计算出电阻阻值，再断开电路开关，打开电阻表，进行验证（误差忽略不计）。这样就可以对欧姆定律进行验证了。

4 具体设计

设计的新型欧姆定律实验演示教具，如图1所示，不仅能够让人们看得见欧姆定律还进行了一体化设计，无需反复拆装线。

图1 看得见的欧姆定律实验演示教具图示

全新模拟电阻、电压、电流的实验演示教具主要由“L”型箱体结构、引水槽、水槽三大结构组成。

演示时，水槽中注满水，打开水泵开关，看得见的欧姆定律实验演示教具通过水流、水压以及水轮转速的变化模拟电阻、电压、电流之间的关系。

因为水压的大小由水位的高低差决定，电压的高低由电位的高低差决定，所以，把电压比拟为水压。保持滑动变阻器拨片在右侧固定位置不变，当水位拨片向下移动时，看出水位高低差变小，此时水压会变小，同时水轮的转速变慢；当水位拨片向上移动时，看出水位高低差变大，此时水压变大，水轮的转速变快。在电路当中，电阻不变时，电压变化的同时电流也会随之变化，即电阻不变时，电压越大电流越大；电压越小电流越小。

保持水位拨片在固定位置不变，当滑动变阻器拨片逐渐向左移动时，可看到被阻挡的水越来越多，且到一定程度时，水轮停止转动。在电路当中，电压不变时，电阻变化的同时电流也会随之变化，即电压不变时，电阻越大电流越小；电阻越小电流越大。

实验时，打开开关，电压表测量被测电阻两端电压，电流表测量电流。此时可通过测量数据以及公式计算阻值大小，断开电路的开关后，打开电阻表开关，测量电阻阻值，用于验证欧姆定律（误差忽略不计）。

5 电路设计

教具的电路图如图2所示。

图2 教具的电路图

在电路中有两个电阻，一个用于调节电压，一个作为电路中的被测电阻。由于在探究电流与电阻之间的关系时，需调节被测电阻的阻值进行实验，所以为了实验方便，在教具中用滑动变阻器当作被测电阻，并且串联一个电流表测量电路中的电流，在被测电阻两端并联一个电压表，用于测量被测电阻两端的电压。电路中的用电器“LED”是为了防止在实验过程中电压、电流过大导致电源被短路。