唤醒·感悟·升华——高三电学实验复习的点滴思考

江苏

(作者单位：江苏省泰兴中学)

电学实验历来都是高考的重点，自然也是高三物理复习的重要内容，而且在复习过程中，以电学实验为载体，教师还可以进一步提升学生对恒定电流知识的理解，促使学生深度感悟物理研究方法，推动他们思维的升华。

一、以问题群组来唤醒学生对基本知识的记忆

在高三复习中，教师都有这样的体会，如果只是单纯的引导学生对知识进行梳理，学生由于新鲜感缺失而很难提起兴趣。在这种情形下，我们要善于以问题群组的形式来给予学生刺激，让学生不断从问题分析中唤醒对知识的回忆。我们引导学生复习电学实验时，不是让学生记住实验的基本操作和注意事项，而是让学生再一次体会隐含在知识中的实验原理和科学思想，而这显然是无法在单纯的知识回顾中得到的。

问题1：现有一待测电阻R，请根据伏安法设计出实验电路。

学生在分析上述问题时在以下两点上存在分歧：(1)电流表应该外接还是内接；(2)滑动变阻器应该接成分压式还是限流式。学生将上述几种情形相互搭配，组合出四种电路情形，哪种电路更加合适呢？我们可通过问题引导，让学生在自主讨论中完善答案。

(A)

(B)

(C)

(D)

问题2：电流表的外接和内接分别会产生怎样的误差，该如何选择。

在引导学生复习时，我们要让学生明确无论哪一种接法，电流表的分压作用和电压表的分流作用都是存在的，但是对实验结果可能造成的影响却不一样。学生要在思考和讨论中理解。如图1(A)和(C)所示为电流表的外接法，电压表的分流导致所测电流偏大；如图1(B)和(D)为电流表的内接法，电流表的分压导致所测电压偏大。在此基础上，学生在思考中明确该如何进行选择。

问题3：滑动变阻器的分压式与限流式各有怎样的特点，该如何选择。

如图1(A)和(B)两个图为滑动变阻器的限流式接法，(C)和(D)为分压式接法。二者的特点首先体现在电路的连接方式上，然后是对电路的调控特点上。毕竟是复习课，因此学生都会联系到滑动变阻器在“实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线”中的重要作用，即它可以让研究电路的电压从零开始连续可调，在数据采集量上更加丰富；如果滑动变阻器的阻值远小于被测电阻，那就只有分压式才能对电流实现有效调控，我们可以启发学生将其类比为“小小秤砣压千斤”的杠杆模型。当然限流式也有它的优势，比如线路连接简单，且在能耗方面也更小等等。这些都可以由学生自主总结出来。

【教学反思】针对上述问题群组的处理，我们不能让学生局限于在问题的思考和探讨中完成知识的回忆，更要创造条件，让学生在实验操作中加以体会。虽然复习课的时间很紧张，但是如果我们可以将学生带到实验室，让他们在实验操作中再一次进行探索与回顾，这将更有助于学生对知识的回忆。

二、以典型例题促使学生对基本方法的感悟

电学实验本身就是非常讲究方法和技巧的物理研究过程，因此围绕实验进行复习时，我们要注意学生对基本方法的感悟。教师在选择复习阶段的例题时，务必要关注问题的典型性，要让学生通过对问题的分析和研究，切实把握其中所蕴含的科学方法。虽然我们不敢奢望学生通过一个问题就能“一法通百法通”，但是依然期盼学生能够在问题的分析与研究中有所收获。

【典型例题】为了描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室所提供的器材如下：

A.待测小灯泡(6 V 500 mA)

B.电流表A(0～0.6 A 内阻约0.5 Ω)

C.电压表V(0～3 V 内阻5 kΩ)

D.滑动变阻器R1(0～1 kΩ 100 mA)

E.滑动变阻器R2(0～5 Ω 1.5 A)

F.电阻箱R3(0～9 999.9 Ω)

G.直流电源E(约6 V 内阻不计)

H.开关S，导线若干

(1)将电压表量程扩大为6 V，与它串联电阻箱的阻值应调为________kΩ。

(2)图2中画出了实验的部分电路，请你补全电路图；滑动变阻器应选用________(选填“R1”或“R2”。)

图2

(3)实验中，变阻器滑动触头P在ab间移动时，发现小灯泡两端的电压只能在3.5 V～6.0 V之间变化，则电路中出现的故障可能是________。

(4)排除故障后，测量出多组数据以灯泡两端的电压U为横轴，电流表的示数I为纵轴，描点作出小灯泡的伏安特性曲线如图3所示。若电压表V内阻的实际阻值大于5 kΩ，则小灯泡实际的伏安特性曲线应在所画图线的________(选填“上方”或“下方”)。

图3

上述问题分别考查学生电表改装、电路设计、器材选择、故障排查、误差分析，知识点覆盖较为全面，对学生分析方法也有较高的要求，其答案分别是：(1)为了将电压表的量程扩大为之前的两倍，则所串联的电阻应该与原先电压表的内阻相等，即5 kΩ；(2)补全电路正是补全电表改装那一部分，同时还涉及内外接的方法，本题中考虑到灯泡电阻相对较小，应选用外接法，此外滑动变阻器应该选择R2，因为R1的额定电流太小，且电阻太大，也不方便调节；(3)题中的描述应该是变阻器限流式接法的特点，因此可以确认是ac段导线发生断路；(4)本题的误差分析在于电表改装中变阻箱的电阻选小了，处理时可以采用“修正法”，即针对某一组电流和电压的数据，如果将变阻箱的电阻在5 kΩ的基础上调大，则可以判断电压表所在支路的电流会有所减小，电压表的读数肯定会减小，即真实的电压值要小一些，所以对图像进行修正时，对应的点应该在纵坐标(I)不变的基础上，减小横坐标(U)，由此可以判断真实的图像在上方。

【教学反思】上述例题的作用并不仅仅只是帮助学生复习知识，锻炼解题的感觉，同时更要让学生在处理问题中感悟方法。本题对方法要求最高的是最后一问，即分析误差，笔者所提供的方法是基于电表改装的逻辑推理，在具体操作时需要学生能明确电压表的指针偏转幅度依然是源于该支路的电流大小，因此换用正确的串联电阻，必然会导致电流变化，进而导致电压表示数改变。

三、以变式拓展来推动学生思维的升华

在物理教学中，我们发现方法固化、思维机械是学生处理问题的大忌，这在电学实验复习中尤其值得教师和学生注意。毕竟实验是最具真实性和实践性的问题，在实验中可能出现很多意想不到的情形，学生要能够对问题进行灵活的变通。在教学中，我们所选择的例题一定要具有延展和变式的空间，这样就能达到让学生举一反三、融会贯通的目的，他们也将由此获得思维上的提升。

依然以上述问题为例，我们可以进行以下变式操作。

【变式1】若上述问题中滑动变阻器R1的额定电流足够大，但最大电阻依然是1 kΩ，将其接入电路，则在调节时会出现什么现象？

因为本题的目的是描绘小灯泡的伏安特性曲线，因此滑动变阻器必须接成分压式。借助图2来说明，我们需要在闭合开关时，将滑动变阻器的滑片推至a端，然后再逐渐向右调节，这时滑动变阻器被滑片一分为二，其左段部分与灯泡并联后再与右段部分串联，由于灯泡电阻较小，因此在调节过程中，左端并联结构的总电阻很小，因此很难分得电压，所以现象为：开始时电压表和电流表几乎没有示数，当滑片即将推至最右侧时，两电表的示数突然增大。

【变式思考】原始问题侧重于让学生进行选择，变式问题则要求学生结合现象分析，间接说明选择的理由，这样的处理很新颖，且很有实践性，如果学生在实验中有此经历，他们将很难遗忘。

【变式2】实验中调节滑动变阻器时，如果电压表有示数，且能从零开始连续变化，电流表却没有示数，可能的故障原因是什么？

上述表达已经说明电压表的读数可以从零开始连续变化，这表明滑动变阻器的分压电路在正常工作，电压表有示数，表明相关电路可以导通。原因分析需要分成两类：如果灯泡能够亮起，则说明电流表的接线处发生短路；如果灯泡无法亮起，则也可能是因为灯泡处发生断路导致电流表中的电流过小，使得指针没有明显偏转。

【变式思考】电路的故障分析本就是一个很繁琐且很迷茫的过程，该变式在设计时掺入了开放性元素，即要求学生结合灯泡的亮度情形进行分类讨论，这一方面要求学生能够结合电路中的其他元件综合考虑故障可能发生的原因，同时也需要学生站在更高的格局下分析和探索问题。

【变式3】如果电表改装过程没有出错，且不存在任何电路故障，联系电流表外接所造成的误差影响，请推测真实的伏安特性曲线应该在现有答案的上方还是下方？

【分析】电流表的外接，则所测电流的数值包括了电压表所在支路的电流，对于现有图像上各点(除原点以外)都要修正，即电压值不变，电流值要有所减小，这样的点将位于原先点的下方，因此真实的伏安特性曲线应该在现有图像的下方。

【变式思考】设计这一变式的目的在于消除学生的思维定势，让学生意识到不同的情境在分析的角度和方法上都存在一定的差别，这样的处理有助于学生思维灵活性的发展。