习题课“欧姆定律在串联电路中的应用”创新教学设计

向优生 李鸿 李建 牟银勇 方子怡 冯庆

摘    要：为了把科学思维、科学探究、科学态度与责任等物理学科核心素养落实到初中物理习题教学之中，文章用递进式策略设计了“欧姆定律在串联电路中的应用”一节课的教案。力图让学生具有将生活与物理联系的意识，能在生活观察中提炼物理问题，并具备解决问题的能力。

关键词：习题课;习题创新设计;教学实验创新;教学创新

中图分类号：G633.7 文獻标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）5-0075-4

1    教材分析

“欧姆定律在串联电路中的应用”是人民教育出版社初中《物理》九年级下册第十七章第四节的内容。学习该内容前，学生前面已经学习了串联电路、欧姆定律、串联电路电流和电压的特点等知识，为这一节学习做了很好的基础铺垫。该内容的学习也是后面进一步学习电功率和串联电路中电功率问题的基础。

2    教学目标

2.1    知识与技能

（1）能运用欧姆定律解决简单的串联电路问题。

（2）通过计算，学会解答电学计算题的一般方法，培养学生的逻辑思维能力。

2.2    过程与方法

（1）在具体的物理情境中，提高学生分析问题和解决问题的能力;

（2）引导学生自主设计实验。

2.3    情感、态度与价值观

引导学生养成规范的解题习惯和严谨的治学态度。

3    教学重点和难点

重点：欧姆定律的相关计算。

难点：动态电路分析和安全范围计算。

4    教学资源准备

创新教具“自制电子体重计”，体验教具“酒精检测仪”“电子电表动态电路演示仪”，演示教具“电路简化磁铁板”“烟雾报警教具”，学生学案，多媒体课件，数字电压表，数字电流表等。

5    教学过程

5.1    课堂引入

老师提问：如果一个人吃过醪糟汤圆后开车，会不会涉嫌酒驾呢？

设问目的：为了引出本节课的主线酒精检测仪。接下来让学生品尝重庆特色美食醪糟汤圆，现场互动还原查酒驾的情景。

邀请三位学生上台，请其中一位学生品尝半杯醪糟汤圆，再请另外一位学生上讲台扮演小交警，给他佩戴上表演用的交警警帽，拿着改装过的“吹气式酒精检测仪”对喝完醪糟的学生进行酒精检测，并请最后一位学生进行现场视频执法（用于大屏幕的投屏展示，便于观察酒精测试仪的指示灯）。

我们发现，吃过醪糟的学生在吹气测试时，酒精检测仪亮黄灯，并发出“滴滴”的警报声，表明如果该学生吃过醪糟驾驶机动车辆的话已经构成酒驾。通过生活中交警查酒驾使用的酒精检测仪提出本堂课要学习的内容，调动学生的积极性，提升学生的学习热情。

设问1：同学们，酒精检测仪的工作原理是怎么样的呢？

设问目的：引出接下来要学习的“欧姆定律在串联电路中的应用”教学内容。

5.2    新课教学

5.2.1    理论工具

老师：我们带着上面这个问题一起来学习“欧姆定律在串联电路中的应用”。为了让大家能够深入研究这个问题，老师给大家两大法宝，第一大法宝就是欧姆定律，第二大法宝就是串联电路的特点。如图1所示，这是我们解决串联电路问题的理论依据。

我们以两个定值电阻为例，R1和R2串联在电路中。

应用欧姆定律时需要注意单位统一，对象统一，物理量需要满足同时性。串联电路的总电压等于各个分电压之和，总电阻等于各个分电阻之和，电流处处相等。

设计目的：习题课教学应该快速提出本节课教学所需要的理论工具。通过框架式的知识结构呈现能让学生直观掌握本节课的理论依据。

5.2.2    串联电路的基本计算

老师：同学们，刚才我们使用的酒精检测仪中什么物理量在发生变化呢？电源电压不变，电流发生了变化，在以前的学习过程中我们用什么元件来改变电路中的电流呢？

学生：滑动变阻器。

老师：接下来我们就来解决利用滑动变阻器改变电路的基本计算。

例题1 如图2所示，R1阻值为10 Ω，电源两端电压为6 V 。开关S闭合后，求：（1）当滑动变阻器R接入电路的电阻R2为50 Ω时，通过电阻R1的电流I1？（2）当滑动变阻器接入电路的电阻R3为20 Ω时，通过电阻R1的电流I2？

例题设置目的：通过例题训练学生串联电路的基本计算能力，培养学生规范书写的习惯。

5.2.3    串联电路动态电路分析（如图3所示）

老师：同学们通过刚才的计算，发现当串联电路中滑动变阻器的阻值变小，会导致电路中电流变大。那么在这个过程中，定值电阻两端的电压和滑动变阻器两端的电压如何变化呢？你的思维顺序是怎样的呢？

教学实施方案：同学们会发现先对电流的大小变化进行判断，有助于对定值电阻R1两端电压变化的判断。但是，在教学中学生容易直接用欧姆定律的变形式U=IR进行判断，R变大时，电流I会减小，这种方式无法判断此时滑动变阻器两端电压的变化。此处需要利用串联电路分压的特点解决这一问题，先判断定值电阻两端电压的变化，再利用电源电压不变，从而确定滑动变阻器两端电压的变化情况（图4）。

5.2.4    生活中的应用

滑动变阻器连入电路的阻值减小，使得电路中电流增大，灯泡亮度变大。正是由于滑动变阻器对电路中电流的调节作用，我们生活中就用这种电路设计了可以改变灯泡亮度的小台灯。

5.2.5    串联电路的范围计算

老师：同学们，刚才我们给台灯一个力，使得电阻和电路中的电流发生了变化，那么力和电在这个地方是不是就结合起来了呢？

同学们思考一下，我们能否设计一个电路将力和电联系起来呢？

老师：既然力越大就会使得電压表的示数越大，我们能不能设计一个东西可以测力的大小呢？

老师：其实老师利用这一原理制作了一个重力秤，可以用来测量物体重力的大小，我已经将它带到了现场。但是，我只做成了一半，直到现在还没有体验过，我想请一位同学来第一个体验，谁想来？看老师发明的电子秤能不能实现力越大，电表的示数越大。

此处要注意提醒尝试的学生注意安全，先尽量邀请较瘦小的学生。

实验结果表明，当学生站上台秤时，电压表指针发生了明显的偏转。具体如图5所示。

教学情景深入设置：老师也想来亲自尝试一下这个重力秤。

老师站上重力秤，用平板电脑展示出电压表的示数变化情况。

学生们会惊讶地发现：电压表的指针发生了巨大幅度的偏转，甚至超过了电压表的量程。

老师提问：刚才发生了什么现象呢？

在这里故意设置一个超过量程的称量环节，为后面解决安全范围问题埋下伏笔。

老师：同学们发现没有，当物体的重力过大时，我们的电压表甚至会超过量程，很容易损坏电压表。同学们能不能帮助老师一起来改进这个实验装置呢？

老师：为什么电压表在这一情景中会超过量程呢？我们接下来一起分析一下。

例题2  如图6所示，电源电压为4.5 V，小灯泡的电阻为5 Ω（其阻值不随温度的变化而变化），滑动变阻器R的最大阻值为10 Ω。

（1）请问当滑动变阻器的滑片在R的最上端和最下端时，电压表的示数变化范围是多少？

（2）本题中电压表的量程为0～3 V，当测量者的重力过大时会使得电压表的示数超过量程，从而损坏电压表。请同学们积极讨论，如何既能测量更大的重力，又能保证电路安全呢？

通过第一问的计算我们发现，当滑片滑到最下端时，电源将4.5 V的电压全部分给了小灯泡，我们刚才改装的重力秤的量程是0～3 V，当力增大的时候电压表就很有可能超过量程。

接下来请学生思考：如何能够在人过重或力过大的情况下，也不会超过电压表的安全范围？

教学过程中学生真实回答情况：

第一位学生：1.将灯泡的电阻减小。2.把电压表的量程调到0～15 V。

第二位学生：我有一个想法，在电路中串联一个定值电阻。

老师：串一个电阻来起到分压保护作用，对吧？非常棒！还有其他方法吗？

第三位学生：减小电源电压。

学生的回答超出了老师的预料，让本节课的思维碰撞达到了高潮。（教学效果分析：此处为本节课最为精妙的地方，让老师的设计达到了设计之外的效果，也充分展示了学生的聪明智慧。）

5.2.6    复杂电路的识别

老师：同学们一起再来看一下酒精检测仪的电路图（如图7）是怎么样的，看得懂吗？“用你毕生所学”（故意幽默）看得懂吗？在平时学习的过程当中我们也会遇到较为复杂的电路图。

设计目的：利用酒精检测仪的实际电路图贯穿本节课，引出电路识别教学内容。

老师：教给大家一个小妙招，识别分析复杂电路图时，可以采用化繁为简的思维方式。

串并联电路是所有电路最基本的两种形式，但是生活中的实际电路往往比较复杂。

中考试题中考查多开关问题的频率较高，其实这些复杂的电路都是由最简单的电路组成，按照题目的要求，通过闭合多开关的方式，最终化简的电路往往都是由两个用电器构成的基本串联或并联方式。

教学意见：在使用自制教具创意磁贴板教学时，可以让学生自己来取下磁铁板做成的元件，并擦除多余的导线。

5.2.7    串联电路的综合计算与应用

老师：我们用类似的方法，判断出了酒精检测仪的基本电路图，但是我们发现它并没有用滑动变阻器，而是用了一个特殊的变阻器——气敏电阻，它的阻值随着酒精浓度的增加而减小。

接下来老师给大家最后一个挑战，利用我们所学的基本计算、动态分析和范围计算来解决一个实际问题。

设问：为什么刚才我们使用酒精检测仪有时测量是亮黄灯，有时是亮红灯呢？反过来能不能根据我们改装的电压表的示数来判断被测试者属于什么行为。

例题3  图8电路中，R0阻值为10 Ω，电源两端电压为4.5 V且保持不变，气敏电阻的阻值与吹气时人体血液酒精浓度的关系如图8所示。（血液酒精浓度大于等于20 mg/100 mL，小于80 mg/100 mL属于饮酒驾车，亮黄灯;大于等于80 mg/100 mL属于醉酒驾车，亮红灯;小于20 mg/100 mL 可驾车。）

（1）当开关S闭合后，小武发现电压表的示数为2.5 V，请问此时被测试的驾驶员属于什么行为？

（2）如果图中电压表的量程为0～3 V，在电压表安全范围内，请问所能测量的人体血液酒精浓度的最大值？

第二问学生解决起来比较困难，老师给出方法提示：在动态电路分析中可以不看中间过程，直接观察血液酒精浓度的变化最终会引起电压表怎样的变化，这样会让思维变得简单（如图9）。

除了酒精检测仪这样的气敏电阻，其实生活中还有光敏电阻，例如烟雾报警装置，当有烟雾遮挡住激光照射到光敏电阻上的部分光时，光敏电阻的阻值发生变化，电路中电流发生变化，从而触发电铃。此外，我们中考体考计数器也是光敏电阻改装而成的。

拓展教学：除了这些电阻以外，科学家还在致力于追求其他的材料。介绍2007年的诺贝尔物理学奖，奖项颁发给两位在“巨磁电阻效应”领域作出突出贡献的科学家，拓展学生的视野。

5.3    学生自我总结本节课所学知识

老师：最后我想请一位同学来总结一下，这节课你学到了什么？你有什么感悟和启发。

学生实际课堂回答案例：物理的动态分析和范围计算其实在生活中有很多应用的，比如说刚才的气敏电阻和烟雾报警装置，这些都是通过它们的阻值变化来实现的。比如说判断有没有酒驾，来帮助我们生活。通过这节课我也明白了怎么去分析这个题，比如说串联电路滑动变阻器两端电压变化要通过定值电阻两端电压变化来分析。

老师（评价）：非常感谢这位同学的分析，他从知识层面和应用层面总结了本节课的收获。

这些电阻是组成我们当今人工智能的核心元器件。老师给大家展示一个仿人机器人的工作视频，展示当代人工智能的发展情况。

设计目的：为了拓展学生的视野，能够将所学的知识创新应用于前沿科技，提升学生对科学改变世界的期待。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011.

（栏目编辑    李富强）