以静制动寻蹊径 测量功率塑本源

胥珂

摘   要：测量性动态电路是动态电路中的重要题型之一，几乎涉及初中电学学习的所有电学规律。寻找其本源性问题是当前教学的当务之急，解决好测量性动态电路可以为教师教学指明方向，更避免学生成为刷题机器，避免师生都处于题海战术中。为此，以特殊法测小灯泡动态电路的本源性问题为例，谈如何处理测量小灯泡电功率的本源性问题，并以此为基础探讨学生科学思维的提升。

关键词：以静制动；本源性思想；小灯泡电功率

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章編号：1003-6148（2023）8-0045-4

测量性动态电路可以说是电学，特别是动态电路中的重要题型之一，几乎涉及初中电学学习的所有电学规律，如串并联电路特点、欧姆定律及变形式、电功率等，也涉及研究电学的模型化方法，如思想模型、图形模型等，同时涉及研究电学的物理原理及科学方法，如等效替代法、控制变量法等。可以说测量性动态电路易让教师教学失去方向，让学生成为刷题机器，导致师生埋头于题海战术，不会对测量性动态电路进行变通，更无暇顾及测量性动态电路的本源性问题，即出现“只见树木而无森林”的结果［１］，导致“课堂轰轰烈烈，实质一无所学”的畸形现象。

对测量性动态电路进行分类在某种程度上会直接影响物理学习效果，间接影响解决复杂物理问题的物理观念及科学思维，因此，设计出分类问题，并进行有层次的一系列物理本源性问题的科学指导，促进学生对分类问题本源性进行整体建构，提升解决测量性动态电路的科学思维［２］，为促进解决电学问题在提升核心素养中贡献一点微薄之力。

在初中物理电学学习中，测量性动态电路主要包括测电阻与测功率。本文以特殊法测小灯泡动态电路的本源性问题为例，谈如何处理测量小灯泡电功率的本源性问题，并以此为基础分析如何培养学生的科学思维，进而助推核心素养的提升。

例题1 （２０２１年山东省泰安市第２３题） 在“测量小灯泡的电功率”实验中……（５）完成以上实验后，同学们又设计了一个如图１所示的电路来测量该小灯泡的额定功率（UL额=2.5 V），Ｒ０为已知阻值的定值电阻。请把他们的实验步骤补充完整：

①断开开关Ｓ２，闭合开关Ｓ１，Ｓ３，移动滑动变阻器的滑片Ｐ，＿＿＿＿＿＿＿＿＿；

②保持滑动变阻器的滑片位置不变，开关Ｓ３仍闭合，＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，记录下电压表示数为Ｕ；

③小灯泡的额定功率ＰＬ＝＿＿＿＿＿＿（请用已知量和测量量表示）。

测量小灯泡的电功率是测量性动态电路的一个典型实验，特别是对复杂动态电路下特殊法测量小灯泡的电功率进行本源性处理更是解决动态电路问题的一种捷径，可以说是“以静制动寻蹊径、测量功率塑本源”的真实写照，不仅可让学生学会分析复杂动态电路的连接方式，而且实现了电学规律综合化渗透下解决动态电路问题，这是对测量性动态电路本源性处理的根本目的。

【本源性思想】 本题是在常规测量小灯泡电功率的基础上对测量方法进行的拓展，任何一个测量性动态电路无论如何复杂，基本都是通过测量原理进行拓展形成的。因此，对本题测量小灯泡电功率进行本源性处理将会使复杂的测量过程脱去“厚重的外衣”，逐渐显出“测量原型”；再对不同条件下测量小灯泡电功率进行分类，将会使测量问题简单化，进而在培养科学思维的同时激发学生的物理学习兴趣，提升解决物理问题的核心素养。

【等效思维】 解决测量性动态电路的前提之一是学会对动态电路进行简化，画出简单等效电路图，这是培养高阶思维能力的有效途径之一。画等效电路图的基本方法有整体法、隔离法、节点法。本文以最常见的节点法对动态电路进行简化，这是等效思维在简化电路中的应用。所谓等效思维是以等同效果为基本目的，通过转化思维活动的方式来降低思维活动的深度，是处理复杂物理问题的一种常见思维方法。在电路中，导线与导线的连接是节点，节点在导线上（只要导线两点之间没有任何电源、用电器、电压表）移动不会改变电路的连接方式，节点移动前后的电路是完全等效的［３］，这就是节点法画等效电路图的核心。

【解决问题】 按照上面节点法画等效电路图的方法，节点选用数字１，２，３，４来表示，如图２所示。从电源正极１开始，依次经过灯泡Ｌ（节点１和２）、定值电阻Ｒ０（节点２和３）、滑动变阻器Ｒｐ（节点３和４）、开关Ｓ３（节点４和４），最后到达电源负极（还是节点４）。因此，灯泡Ｌ，Ｒ０，Ｒｐ，Ｓ３组成串联电路，开关Ｓ１与开关Ｓ２处于节点２与３之间，即与定值电阻Ｒ０并联，电压表处于１与２之间，即电压表测量灯泡Ｌ（连同开关Ｓ１一起并联）的电压，等效电路图如图3所示，这样的电路图清晰明朗，避免实物图给人眼花缭乱的感觉，进一步将测量性动态电路进行本源性处理，这样再根据电路图并结合电学规律，如欧姆定律I=，测量电功率原理P=UI等，可以解答动态电路。

任何一个复杂动态电路都是由多个静态电路构成，本题测量小灯泡电功率也不例外。在用节点法画出等效电路图后，测量小灯泡电功率的本源性已经显现，测量原理依然是P=UI，只是通过不同开关的通断使电压表测量对象发生变化，进而实现小灯泡电功率的测量。如图3所示，通过不同开关的通断使Ｌ，Ｒ０，Ｒｐ构成串联电路，具体实验方法如下：①闭合开关Ｓ１，Ｓ３，断开开关Ｓ２，此时电压表测量小灯泡的电压，调节滑动变阻器Ｒｐ的滑片Ｐ，使电压表示数刚好为UL额=2.5 V；②保持电路连接方式及滑动变阻器滑片Ｐ位置不变，利用已知定值电阻Ｒ０测电流，即开关Ｓ３依然闭合，断开开关Ｓ１、闭合开关Ｓ２，电压表测量Ｌ和Ｒ０的总电压，其示数为Ｕ，则串联电路电流为I=；③根据测量原理得出P额=U额·I额，小灯泡额定功率为PL额=UL额·IL额=。

上述“测量小灯泡电功率”的两种方案，都是对本实验的本源性理解存在偏差，无法实行。如方案甲的思想是想利用等效替代法寻找小灯泡正常发光时的电阻，只是在开关S由“ａ”转换到“ｂ”过程中，电路电阻发生变化，导致该方案无法实行；方案乙的思想是想利用串联分压原理测小灯泡正常发光时的电阻，只是在开关S由“ａ”转换到“ｂ”过程中，你能确保两次电压表示数一定为小灯泡的额定电压2.5 V吗？所以该方案也无法实行。如果将定值电阻Ｒ０与小灯泡Ｌ串联的顺序换一下，即可回到２０２１年山东省泰安市第２３题的题型上来，也就可以完成测量实验。

１    科学方法下测量小灯泡电功率的本源性问题

测量小灯泡电功率的特殊科学方法之一是等效替代法，去除“层层过多的外壳”后形成测量性本源性问题，如看似简单的测量小灯泡电功率需要借助等效替代法的方法，这样将使测量小灯泡电功率的本源性问题变得更简单、便捷，否则将无法完成测量小灯泡电功率。

２    科学思维下测量小灯泡电功率的本源性问题

通过上面对科学方法下测量小灯泡电功率的本源性问题分析可以明显发现，在等效替代法的基本思想下将测量小灯泡电功率的方法回归本源，会实现学生由形象思维走向抽象思维，培育科学方法在具体实践中的应用、促进科学兴趣的真正发生［４］，如果对测量方法进行多样化处理将会进一步促进科学思维在测量性动态电路（如测量小灯泡电功率）中的正确形成，避免了“笔记法”“死记硬背法”等测量性动态电路的错误学习方法，为电学学习，乃至整个初中物理学习提供绵薄之力，进而为核心素养的提升作出应有的贡献。

例题3 ［２０２１年江苏省镇江市第２５（４）②］某小灯泡的额定电流为０．３ Ａ，如图6是小强设计的实验电路（电源电压恒定），Ｒ１，Ｒ２均为电阻箱（０～９９９．９ Ω）。可以对电路图及操作进行下列调整，其中仍能完成测量小灯泡额定功率的有             。

Ａ．将Ｒ１换成导线

Ｂ．将Ｒ２换成导线

Ｃ．将Ｒ２换成适当规格的滑动变阻器

Ｄ．在实验操作时，先闭合的开关是Ｓ２

３    归纳总结

测量性动态电路可以说是每年中考考查的热点之一，年年考年年变，不变的是测量性动态电路的本源性问题，不管测量电路多么复杂，解决测量性动态电路的关键在于以本源性问题为根源，化繁为简、以静制动，将复杂动态电路分解成有层次的小的本源性问题［５］，再结合电学规律解决问题，从而形成“见物思理、就物论理”的思想意识，这也为解决其他物理问题提供一点建议，进而在提升科学思维的基础上助推核心素养的提升。

参考文献：

［１］邵泽义，秦晓文.以核心素养为導向 聚焦本源问题 提升高中物理复习课的成效——以交变电流复习为例［Ｊ］.中学物理，２０２０，38（１７）：４２－４５．

［２］卫荷晨，朱广天.高三学生物理问题分类及表征研究［Ｊ］.中学物理，２０２０，38（１７）：５－７．

［３］葛元钟.初中电学复习课中高阶思维能力培养策略［Ｊ］.中学物理，２０２０，38（２）：１２－１５．

［４］陈宗成．初中物理概念建构思维可视化策略——以浮力概念的建构为例［Ｊ］．教学与管理，２０１９（１１）：７２－７５．

［５］秦晓文.探究照亮未来——物理教学中科学探索的理论与实践［Ｍ］.北京：中国青年出版社，２０１７．

（栏目编辑    陈  洁）