邢海根 傅求寶

摘要：為了提升初中生的物理核心素養(yǎng)，部分地區(qū)將電表改裝問題搬上了中考試卷，在中考的導(dǎo)向下，大部分教師通過模型構(gòu)建并從理論上加以推導(dǎo)，很難體驗(yàn)到改裝的真實(shí)過程。本文介紹一種快速改裝電表的實(shí)驗(yàn)方法，并引入簡(jiǎn)易數(shù)字化裝備來檢測(cè)改裝后電表在分流或分壓上是準(zhǔn)確的，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電表改裝? 簡(jiǎn)易數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? 內(nèi)阻

近幾年，部分地區(qū)中考物理試題多次出現(xiàn)“電表改裝”類考題，由于內(nèi)容抽象，所以多數(shù)教師應(yīng)對(duì)策略是運(yùn)用理論推導(dǎo)和計(jì)算。這樣學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解也只能停留在理論層面上，很難體驗(yàn)到改裝的真實(shí)過程。如何去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生真實(shí)地去體驗(yàn)?zāi)兀科鋵?shí)實(shí)驗(yàn)室直流電流表和電壓表是最常見的電學(xué)儀表，也是學(xué)生使用頻率最高的兩種電學(xué)儀表，學(xué)生對(duì)這兩種電表的量程、分度值、使用方法等都非常熟悉，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的雙量程電流表和電壓表，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行真實(shí)的電路改裝實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)改裝實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，并用數(shù)字化電表檢測(cè)改裝電表后在分流或分壓上的準(zhǔn)確性，學(xué)生在改裝中感受成功的喜悅，同時(shí)又能加深學(xué)生對(duì)電表改裝問題的理解。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與意圖

將電流表的0.6 A擋作為“表頭”，由0.6 A量程改為3 A量程電流表;將電壓表的3 V量程作為“表頭”，改為15 V伏的量程。小量程是大量程的1/5，本身就有“擴(kuò)程”的改裝成分，讓學(xué)生知道，改裝的目的是“擴(kuò)程”，靈活運(yùn)用“等效替代法”，用數(shù)字式萬(wàn)用表和數(shù)字式毫歐計(jì)測(cè)出電表的各擋位間電阻以及分流、分壓各電阻器的電阻值，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證串聯(lián)分壓和并聯(lián)分流原理，讓學(xué)生順利地實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的內(nèi)化。

二、實(shí)驗(yàn)器材

J1209型和J04004型學(xué)生直流電源各一臺(tái)（量程為40 A），J0407型電流表兩只，鎳鉻合金絲一根（阻值為1 Ω左右）。HPS2501A型毫歐計(jì)一只（測(cè)量范圍0～2 Ω，分度值為1 mΩ），DT9205A型數(shù)字多用表一只，J0409型電壓表兩只，音響用電位器（0～200 kΩ）一只，滑動(dòng)變阻器（50 Ω，5 A）1只，開關(guān)一只，帶鱷魚夾的導(dǎo)線若干根。

三、電流表的“擴(kuò)程”實(shí)驗(yàn)及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備的引入

（一）改裝過程

（1）將電流表的0.6 A的量程改成3 A量程的電流表的“擴(kuò)程”實(shí)驗(yàn)。

（2）圖1是電流表“擴(kuò)程”電路圖，按電路圖連接實(shí)物圖，電流表A1接0.6 A量程接線柱且與鎳鉻合金絲并聯(lián)后再與電流表A2串聯(lián)組成。接入開關(guān)S、讓滑動(dòng)變阻器處在阻值最大。

（3）接通電源，閉合開關(guān)S，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器使電流表A2的示數(shù)為3 A。

（4）再移動(dòng)與A1表并聯(lián)的鎳鉻合金絲上鱷魚夾的位置，使電流表A1的示數(shù)為0.6 A，并記下此時(shí)兩鱷魚夾的位置。此時(shí)鎳鉻合金絲上通過的電流值為：I絲=I2-I1=3 A-0.6 A=2.4 A。

（二）引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備檢測(cè)改裝后電表的可靠性

（1）檢測(cè)內(nèi)阻大小

斷開開關(guān)S，拆下電流表A1和帶鱷魚夾鎳鉻合金絲，用毫歐計(jì)測(cè)出A1的“-”和“0.6 A”的兩接線柱間電阻值，R1=1.146 Ω;再測(cè)出鎳鉻合金絲的電阻值，R絲=0.286 Ω。

（2）分析改裝電表的分流規(guī)律

由并聯(lián)電路特點(diǎn)得：U1=U絲得U1=I1R1=0.6 A×1.146 Ω=0.68 V，U絲=I絲R絲=2.4 A×0.286 Ω=0.68 V。不難得出：I1R1=I絲R絲，也就有：R絲=I1I絲R1，因此，實(shí)驗(yàn)符合并聯(lián)電路中各支路中的電流與它們的電阻成反比例分配的分流規(guī)律。

四、電壓表的“擴(kuò)程”實(shí)驗(yàn)及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備的引入

（一）改裝過程

（1）按如圖3所示的電路圖，連接實(shí)物電路，將兩個(gè)學(xué)生電源串聯(lián)起來，旋轉(zhuǎn)電壓按鈕，使兩個(gè)電源輸出電壓值和為15 V。電壓表V1接“-”和“3 V”接線柱和電位器R器串聯(lián)后，再與電壓表V2的“15 V”接線柱并聯(lián)，接上開關(guān)S，再使R器和R滑調(diào)至阻值最大處。

（2）接通電源，閉合開關(guān)S，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器，使V2表的示數(shù)為15 V，達(dá)到滿偏，再調(diào)節(jié)電位器R器，直至V1表的示數(shù)為3 V，此時(shí)電位器R器分得電壓U器=15 V-3 V=12 V。

（二）引入數(shù)字化顯示裝備，檢測(cè)改裝后電表可靠性

（1）檢測(cè)內(nèi)阻大小

斷開開關(guān)S，將數(shù)字多用表的旋鈕開關(guān)旋轉(zhuǎn)至電阻200 kΩ檔位處，測(cè)出電壓表的“-”和“3 V”兩接線柱的電阻為R1=2.93 kΩ，再測(cè)出此時(shí)電位器的阻值R器=11.69 kΩ，再測(cè)出電壓表的“-”和“15 V”兩接線柱的電阻為14.75 kΩ。在誤差允許的范圍內(nèi)，從測(cè)量的數(shù)據(jù)中看出：R2=R1+R器。

（2）分析改裝電表的分壓規(guī)律

分析數(shù)據(jù)：U器U1=R器R1=11.69 kΩ2.93 kΩ≈4，因此，符合串聯(lián)分壓原理：串聯(lián)電路中各電阻上的電壓與電阻值成正比例分配。

五、教學(xué)反思

關(guān)于電表的改裝，學(xué)生往往忽略“表頭”的內(nèi)阻，導(dǎo)致改裝后的電表與標(biāo)準(zhǔn)電表所測(cè)數(shù)據(jù)差距較大。部分教師提供改裝電路圖并給出“表頭”的內(nèi)阻，讓學(xué)生計(jì)算出所配電阻值的大小，有時(shí)為了找到所配阻值的電阻，學(xué)生利用電阻絲來進(jìn)行測(cè)量，浪費(fèi)了很多時(shí)間和精力。而本文所采用的方法簡(jiǎn)單、省時(shí)、省力。引入簡(jiǎn)易數(shù)字化裝備，可以檢測(cè)改裝后的電表內(nèi)阻關(guān)系是否符合電流或電壓的分配規(guī)律。實(shí)際上也可以引入電流與電壓傳感器，直接來驗(yàn)證改裝后電表在實(shí)際測(cè)量時(shí)與電流或電壓傳感器的結(jié)果一致。初中學(xué)生的思維水平較低，認(rèn)知層次不高，只從理論層面上推導(dǎo)出電表內(nèi)阻和電表改裝問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須在教師的引導(dǎo)下，通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，拉長(zhǎng)思維過程，通過現(xiàn)象找到本質(zhì)，在動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)中生成知識(shí)，實(shí)現(xiàn)在“做中學(xué)，學(xué)中悟”，落實(shí)“重過程”，教學(xué)在過程中慢“悟”其中的道理。學(xué)生通過改裝與檢測(cè)，收獲的不只是紙面上的答案，關(guān)鍵是培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。因此，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，捋清問題的物理原理來源，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、建立模型，讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，并適時(shí)引入數(shù)字化裝備或數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行檢測(cè)，生成第一手的經(jīng)驗(yàn)，是探究的真過程，才能真正提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

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