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歐姆定律在初中物理電學知識體系中占有極其重要的地位。作為一個實驗定律,它的得出依賴于實驗探究。初中階段對歐姆定律的探究主要是針對部分導體的歐姆定律。
蘇科版物理教材中歐姆定律處在一章的第三節,在探究歐姆定律之前,學生已經學習的電學內容有:初始家用電器和電路,電路連接的基本方式(串并聯電路的認識),電流和與電流表的使用,電壓和電壓表的使用,電阻,變阻器。通過這些內容的學習,學生已經知道改變電流大小的兩種方法:1. 改變電路中的電源電壓;2. 改變電路中的電阻。帶著這樣的知識基礎,進行歐姆定律的探究學習。
教學過程中,按照教科書上實驗電路圖,采用控制變量的方法,根據實驗探究的一般過程進行兩次實驗。因此在利用教材中的實驗設計進行教學的過程中遇到了一些有待商榷的問題。
問題1:“移動變阻器的滑片,改變滑動變阻器連入電路的電阻,可以改變電路中的電流,但為什么就可以改變加在電阻兩端電壓呢?”
問題2:“調節變阻器,使電阻R兩端電壓改變,為什么同樣是調節變阻器,卻又是使加在R兩端的電壓不變呢?”
分析:學生對電流的認知是通過教材中用水流做類比,從而知道電壓是形成電流的原因。從認知的過程來看,正是因為有了電壓,才會有電流的產生。
而在本書歐姆定律的探究實驗中,二次實驗都是通過移動滑動變阻器來改變電流的大小,利用歐姆定律的原理,從而改變了電阻兩端的電壓或使不同電阻兩端的電壓不變。這樣就會給學生有一個錯誤的印象:“電阻改變電流,電流改變電壓”。使學生認知電流、電壓的因果關系上容易出現倒置,認為電壓的改變是由于電流的變化而引起的。因此在未探究出歐姆定律之前,根本不可能向學生解釋他們提出的這兩個問題。更嚴重的是在課后的作業反饋中,有學生對于這個的實驗做出了錯誤的總結:在電阻一定時,電壓和電流成正比。所以這個實驗設計在學生探究學習歐姆定律的思維邏輯上存在著錯誤的引導,必須加以改進。
本人認為問題產生的根本原因就出在滑動變阻器在實驗中的引入。
雖然滑動變阻器的聯入使實驗操作更為方便更為簡單,但產生的負面影響是巨大的,導致了學生知識認知邏輯上的混亂,迷惑,弊大于利。本人提出的改進建議是舍去滑動變阻器:
電阻不變時,探究電流與電壓的關系的實驗中,完全可以舍去滑動變阻器,直接把電阻接入電路,通過直接改變電源電壓的方法來進行實驗。
電壓不變時,探究電流與電阻的關系。而舍去滑動變阻器后,通過固定的電池數目的方法很難實現電阻兩端的電壓不變。其原因在于電池組存在一定的內阻,就會導致路端電壓隨外電路電阻的變化而變化(外電路電阻變大路端電壓也變大),而不能達到控制電壓不變的目的。同時電壓表示數的變化也會引起學生的質疑。初中階段,由于電池的內阻不作要求,因此最合適的方法就是采用輸出電壓恒定的學生電源進行實驗。
綜上分析,本人設計這樣的探究實驗:
實驗器材:學生電源,電阻箱(或若干已知阻值電阻),電壓表,電流表,導線,開關
實驗步驟:按實物圖連接好電路:
實驗一,先保持電阻R不變,通過調節學生電源的輸出電壓(電壓取值要?。?,研究電流跟電壓的關系。將所測數值填入表格,分析數據,得出結論。
實驗二,保持學生電源輸出電壓不變,調節電阻箱的阻值,研究電流和電阻的關系。將所測數值填入表格,分析數據,得出結論。
實驗總結:將兩方面結論綜合,歸納出歐姆定律。
一、歐姆定律發現歷程溯源
2.相同之處
歐姆定律適用于線性元件,如金屬等,不適用于非線性元件,如氣態導體等。
三、三點質疑
1.線性元件存在嗎
材料的電阻率ρ會隨其他因素的變化而變化(如溫度),從而導致導體的電阻實際上不可能是穩定不變的,也就是說理想的線性元件并不存在。在實際問題中,當通電導體的電阻隨工作條件變化很小時,可以近似看作線性元件,但這也是在電壓變化范圍較小的情況下才成立,例如常用的炭膜定值電阻,其額定電流一般較小,功率變化范圍較小。
2.對所有非線性元件歐姆定律都不適合嗎
在上述所有表述中都有歐姆定律適用于金屬導體之說,又有歐姆定律適用的元件是線性元件之說,也就是說金屬是線性材料,而我們知道,白熾燈泡的燈絲是金屬材料鎢制成的,也就是說線性材料鎢制成的燈絲應是線性元件,但實踐告訴我們燈絲顯然不是線性元件,因此這里的表述就不正確,為了避免這種自相矛盾,許多資料上又說歐姆定律的應用有“同時性”,或者說“歐姆定律不適用于非線性元件,但對于各狀態下是適合的”,筆者總覺得這樣的解釋難以讓學生接受,有牽強之意,給教師的教造成難度,既然各個狀態下都是適合的,那就是整個過程適合呀。
3.對歐姆定律適合的元件I與R一定成反比嗎
I與R成反比必須有“導體兩端的電壓U相同”這一前提,在這一前提條件下改變導體的電阻R,那么通過導體的電流就會發生變化,因而導體的工作點就發生了變化,其制作材料的電阻率 ρ就隨之變化,因此導致電阻又會發生進一步的變化,這樣又會導致電流產生進一步的變化,所以實踐中多數情況下I與R就不會成嚴格的反比關系,甚至相差很大。
四、兩條教學對策
1.歐姆定律的表述需要改進
其實早就有一些老師對歐姆定律的表述進行過深入的分析,并結合他們自身長期的教學經驗,已經提出了歐姆定律的表述的后半部分“I與R成反比”是多余的,應該刪除,筆者也贊成這種做法,因為這種說法本身就是不準確的,這也是在上述三種大學普通物理教材中都沒有出現這個說法的原因。
通過對歐姆定律發現歷程的溯源,可知歐姆當時發現這一電路定律時也沒有提出“反比”這一函數關系,只是定量地給出了一個等式,因此,筆者認為歐姆定律的現代表述有必要改進,既要傳承歐姆當時的公式,也要符合實際情況,所以筆者認為歐姆定律應該表述為:通過導體的電流強度等于導體兩端的電壓與導體此時的電阻之比。
那么,為什么連“I與U成正比”也省去呢?當R一定時,I與U成正比是顯然的,但如果在歐姆定律的表述中一旦出現“I與U成正比”的說法,學生就會很自然地想到“I與R成反比”,而這種說法是不對的,所以表述中最好不要出現“I與U成正比”和“I與R成反比”這兩種說法。
2.線性還是非線性元件的區分不能以材料種類為判斷標準
同樣是金屬材料,鎢絲的伏安特性是非線性的,而一些合金材料導體的伏安特性卻是非常接近理論線性,如標準電阻。所以我們在區分線性元件還是非線性元件時,不能以導體的材料種類作為判斷的標準,而只能通過實驗測定,得到I-U圖象,以此來作為判斷依據。
《閉合電路歐姆定律》是高中物理電學部分中各種電路的基礎內容,同時也是高中物理電路部分的重點內容,深刻理解并掌握本節內容對今后電路學習具有極大的幫助。在高中物理課堂教學活動開展中,為了有效提高《閉合電路歐姆定律》教學設計的有效性,下面本文首先簡單分析了《閉合電路歐姆定律》教學目標,并在此基礎上提出創設“問題情境”的教學設計為方法的課堂教學實踐,以供參考。
高中物理《閉合電路歐姆定律》教學主要是圍繞定律的推導和定律的應用這兩個問題展開的。教材在設計中意在從能量守恒的觀點推導出閉合電路歐姆定律,從理論上推出路端電壓隨外電阻變化規律及斷路短路現象,將實驗放在學生思考與討論之中。為了有效提高課堂教學質量和教學效果,我們特提出在《閉合電路歐姆定律》教學中創設“問題情境”的教學設計。
1.《閉合電路歐姆定律》教學目標分析
《閉合電路歐姆定律》教學目標主要有以下幾個方面:一是,經進閉合電路歐姆定律的理論推導過程,體驗能量轉化和守恒定律在電路中的具體應用,培養學生推理能力;二是,了解路端電壓與電流的U-I圖像,培養學生利用圖像方法分析電學問題的能力;三是,通過路端電壓與負載的關系實驗,培養學生利用實驗探究物理規律的科學思路和方法;四是,利用閉合電路歐姆定律解決一些簡單的實際問題,培養學生運用物理知識解決實際問題的能力。高中物理《閉合電路歐姆定律》教學主要是圍繞定律的推導和定律的應用這兩個問題展開的,其中涉及到了“電動勢和內阻”、“用電勢推導電壓關系”、“焦耳定律”以及“歐姆定律”等諸多內容,這些內容之間具有一定的聯系, 只要能夠為其構建一個完善的體系,將這些知識有機的結合起來,就能夠得出閉合電路的歐姆定律。以建構主義教學思想為基礎,采用創設“問題情境”的教學設計,對于提高課堂教學有效性具有積極意義。
2.創設“問題情境”的教學設計具體實踐
首先,通過問題的提出激發學生的求知欲。例如:將一個小燈泡接在已充電的電容器兩極,另一個小燈泡在干電池兩端,會觀察到什么現象?并展示生活中的一些電源,演示手搖發電機使小燈泡發光和利用紐扣電池發聲的音樂卡片實驗,使學生進行思考這些現象出現的原因。通過觀察學生會發現手搖發電機是將機械能轉化成電能的過程,停止搖動就沒有電能,燈泡就不會亮,而干電池、蓄電池是將化學能轉化成電能,其化學能能夠為干電池提供持續供電的功能,因此小燈泡能夠持續發光。然后教師再在這個基礎上提出問題:什么是電源的電動勢?之后指出電源電動勢的概念,幫助學生認識電源的正負極,并畫出等效的電路圖,利用學生已知的知識,如電勢相當于高度,電勢差則相當于高度差,這樣學生就能夠很好的對電勢差以及電源電動勢的內電壓和外電壓等概念進行理解了。
其次,在教學中可采用類比、啟發、多媒體等多種方法進行教學。教師在課堂教學匯總可借助于多媒體播放flash課件, 借助于升降機舉起的高度差或者兒童滑梯兩端的高度差,幫助學生更好的理解電源電動勢。另外還可以從能量的角度引導學生對其進行理解,例如小花去買衣服,共有100元,其中10元用于打車,90元用于買衣服,在這里,100元就相當于電源的電動勢,車費相當于內電壓(必要的無用功),買衣服的費用就相當于外電壓(有用功),從而使學生掌握內外電壓的本質屬性。
最后,要通過實驗來引導學生進行探究。物理學是一門以實驗為基礎的科學,觀察和實驗是提出問題的基礎,在實驗教學中應鼓勵學生觀察要細致人微,要善于從實驗中發現問題,直觀、形象的實驗現象能激發學生思考??梢宰寣W生通過實驗來探究路端電壓與外電阻(電流)的關系,得出路端電壓與外電阻(電流)的關系,再從理論上進行分析。然后演示電動勢分別為3V和9V(舊)的電源向一個燈泡供電實驗,引發學生學習的興趣,讓學習進行討論,解釋現象原因。通過這種方式能夠讓學生很容易就明白流過燈泡的實際電流不僅與電源的電動勢有關,還與電路中的總電阻有關,從而順理成章的得出閉合電路歐姆定律,完成課堂教學任務。
3.總結語