浅谈科学探索的时刻表_电流表论文

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电流表与电压表是重要的电学测量仪表,它们的外部形状和使用规则,既有相同之处,又有天壤之别。我们充分利用新授、复习和辅导课时,先后安排下列学生实验,收到了非常好的教学效果。

一、探究电流表的使用规则

探究1:电流进出表的规则

教师先展示教学用的大型电表并指出:它的指针是固定在有转轴的线圈框架上,线圈通电能偏转(其偏转规律,我们下学期将会学到)。然后让学生按图1所示的电路原理示意图(不是电路图,图中省略了电源、开关等电路元件符号,只表示电流的路径,下同),选用“0~3A”的量程,用“试触法”探究电流进出表内的规则。最后教师强调指出:“要使电表指针顺时针偏转,电流必须(从选用的)正(接线柱)进、(从)负(接线柱)出表内(可以简称电流要‘+’进‘-’出表内)。”这是所有直流电表必须遵守的使用规则之一。

探究2:电流表连入电路中的方式

1.按图2所示接好电路,检查无误再闭合开关,观察小灯泡的发光亮度(注:我们配置有座的小灯泡,是“6V 0.3 A”,是“3.8V 0.3A”)。

图1 电路示意图

图2 电路示意图

3.按图4所示接好电路,各种电现象如图3所示。由此可知,若将表跟被测用电器并联,相当于用1根导线把用电器“短接”起来,很容易烧坏表或损坏电源,因此表必须串联在被测电路中。

图3 电路示意图

图4 电路示意图

4.把库内所有报废的电流表底盖打开,让学生观察表内部电路连接,如图5所示,学生顿时恍然大悟:原来表内部接线柱之间,都是用挂锡的铜导线连接的。

图5 电路示意图

由此可知:

(1)当表烧坏时,系指固定指针的线框上的细漆包线被烧断,由于各接线柱之间有挂锡的铜导线连通,故整个电路不能开路;

(2)由于表连入电路中的接线柱之间的电阻值很小,所以我们应该重新认识表的“内接”和“外接”问题。

课程标准规定,学生要“会使用电流表和电压表”。待学生学完“电压”一节里的“怎样连接电压表”和“怎样在电压表上读数”等知识后,我们制定了下列具体的“会使用电流表和电压表”的技能目标:

(1)会放置:电表要摆放在稳固的水平桌面上便于观察、校零和读数的位置。

(2)会识别:

①知道电流表的元件符号是“”,电压表的元件符号是“”,并能在电路图里区分它们;

②知道电流表的表盘上通常标有电流单位“安”的符号“A”,电压表的表盘上通常标有电压单位“伏”的符号“V”,并能从仪表的外部识别它们。

(3)会观察:

①弄清它的量程有几个,各是多少(学生实验用的电流表常用的量程有两个:0~0.6 A和0~3 A。近几年新配置的电流表的量程,根据过去部颁标准的规定,其量程分别为“-0.2~0.0~0.6 A”和“-1~0~3A”。电压表的量程也是两个:0~3 V和0~15 V。根据过去部颁标准的规定,新配置的电压表的量程分别为“-1~0~3V”和“-5~0~15V”。另外,我们认为“量程”是指该表的测量范围。“量程”跟该量程里的“最大测量值”的含义是不同的)和对应选用的接线柱(含接线柱是“+”还是“-”,哪个是共用接线柱等);

②弄清每个大格和小格在每种量程里所代表的电流值或电压值(电流表:在0.0~0.6A的量程里,每个大格表示0.2A,每个小格为0.02A;在0~3A的量程里,每个大格代表1 A.每个小格为0.1A。电压表:在0~3V的量程里,每个大格代表1 V、每个小格为0.1 V;在0~15 V的量程里,每个大格代表5 V、每个小格代表0.5V);

③检查指针是否对准零刻度线等。

(4)会校零:认识“零点调节器”的旋钮(简称“调零钮”),能在老师指导下完成“校零”。

(5)会选择:能依据被测电路元件的电流大小或电压高低、实验要求、计算或估计等。并会采用“试触法”(我们要求学生先从最大量程开始试触)选用最佳量程。

(6)会连接:

①电流表要串联在被测电路里、电压表要并联在被测电路两端上;

②让电流从选用量程里的“+”接线柱流进表内,从“-”接线柱流出:

③在做“探究并联电路中电流和电压的特点”实验时,各支路均要同时处于“通路”状态,绝不能用2个简单电路代替1个并联电路;

④所测电流或电压,均不能超过选用量程里的最大测量值,或选用接线柱旁标出的电流值或电压值。决不允许电流表不经过用电器直接跟电源两极构成通路。

(7)会读数:在看准所选用的量程和每个格所代表的分度值的前提下,待指针稳定后,视线要正对指针所指的刻度线读数。若指针指在两条刻度线中央或中央附近,就加读半个最小分度值。

(8)会记录:在测取的电流值后面写上所用的电流单位“A”;在测取的电压值后面写上所用的电压单位“V”。

电压表和电流表都是重要的电学实验仪器,后面的电学实验还要多次使用。我们在上完“电压”一节课后,给出了下列对比表格让学生填写:

仪表 元件 表盘 使用规则可选 最大 最小 读数

名称 符号 标志 相同点 不同点 量程 分度值 分度值 规则

填表说明:

(1)使用规则的不同点有:

①电流表只能串联在被测电路中,决不允许不经过用电器而把它直接接在电源的两极上。

②电压表只能并联在被测电路的两端上,决不能把它串联在被测电路中。只要不超过选用量程里的最大测量值,就可以把它直接接在电源两极上测出电源的电压值。

(2)读数规则:

首先,看准所选用的量程,弄清在该量程里每个格的分度值;其次,待指针稳定后,视线要正对指针所指的刻线读数;最后,若指针指在2条刻线中央或中央附近,就加读半个最小分度值。

二、探究电流表的第三量程

能否将表的“0.6”和“3”两个接线柱串联在被测电路中?如果可以,那么该表:

1.电流应从哪个接线柱流进表内?从哪个接线柱流出来?

2.此时该表的量程是否是“0~(3.0-0.6)A”(即“0.0~2.4A”)?它的最小分度值是多少A?如何校准该表

我们首先让学生认真弄清在正常使用0.0~0.6A量程时,表内的电流路径如图6(见下页)所示;选用0~3A量程,表内的电流路径如图7(见下页)所示。由此不难发现如图8(见下页)所示,若让电流从“0.6”接线柱流进表内,从接线柱“3”流出表外,那么该表是能够测量电流的。

在教师的引导下,学生能设计出如图9(见下页)所示的校表方案:表是选用0.0~0.6量程标准电流表,表是把“0.6”与“3”接线柱串入电路中的校正电流表,用滑动变阻器控制电路中的电流,实测记录如下页表1所示:

图6 电流路径

图7 电流路径

图8 电流路径

图9 校表方案

表1 滑动变阻器控制电路中的电流实测记录

三、探究电路中的电流规律

仅做4点说明:

1.实验器材

(1)课文对“两个有座的小灯泡”的规格未做要求,而义教版《实验参考书》第175页上规定“2.5 V0.3A”小灯泡2只,特别是《初中物理实验大全》第469页上写道:“串联时,两个灯泡的额定电流应相等;并联时,两个灯泡的额定电压应相同。”我们认为,能够同时满足上述条件,其实质都是规定“两个小灯泡的规格要相同”(在《中学物理仪器登记簿》里,有“2351小灯座”,而没有“小灯泡”,由此可知“小灯泡”是属于“电学实验材料”的;而只给小灯泡不给小灯座,是无法把它连入电路中的,据此我们要求学生在[实验器材]里,必须填写“有座的小灯泡”)。

多年的教学实践证明,该实验决不应该使用2个规格相同的有座小灯泡。只有使用2个不同规格带座的小灯泡做实验(接线柱均要旋紧等),不仅能够测取需要的电流值,而且还有下列两点重要收获:

①能消除个别学生误解。有的学生会误认为,串联电路中的各处电流都相等,是因为2个小灯泡的规格都相同;如果两个小灯泡的规格不一样,那么,通过发光较亮的小灯泡,或通过小灯泡较小的电流可能会强一些(此时学生并没有学习“电阻”等有关知识,下同)。

②能避免得出错误的结论。如果使用2个规格相同的有座小灯泡做此实验,个别学生会根据分析测取的电流值;得出如下的错误结论:在并联电路中,各支路的电流也相等,

为了比较准确地探究出串、并联电路中电流之间的定量关系,多年来我们一直选用规格不同的定值电阻,代替2个规格不同的有座小灯泡安排这个学生实验(由于学生没有学习“电阻”知识,只告诉他们它是1个电路元件即可),再配上滑动变阻器(在光学教学时,为了给“白昼低压平行光源”调节出额定电压,我们已经教会学生“一上一下”任取1个接线柱,把滑动变阻器的所有电阻线都串入电路中),采用“低电压、弱电流”的实验方案,教学效果更好。

(2)应检验所有电流表的准确度。我们的做法是:把“10Ω 2A”的滑动变阻器跟所有的表串联,以多数示数相同的表为标准,剔除示数超过精密度2.5级的表,用以减小测量误差。

2.“探究:并联电路中的电流规律”实验

(1)学生做此实验时,各支路必须同时处于“通路”状态。否则,将涉及“闭合电路欧姆定律”知识,肯定得不出“并联电路中干路电流等于各支路的电流之和”的结论。若使用不同规格的定值电阻做此实验,学生通过分析实验数据,还可以总结出“在并联电路中,电流的分配跟电阻成反比”的有益结论。

(2)为了减小配电电源电压的微小波动(含干电池电压逐渐衰减)和连接导线时松紧程度的微小差别给测量值带来的误差,每个实验小组均同时发放3块准确度非常接近的表(注:极少数班额大的每个实验小组为3人,每人负责连接1块表),让学生同时测干路和2个支路中的电流,并改变电压多次测量,进而总结出并联电路中的电流规律。

3.如果只给你1块表,电路连接导线不允许改动,只靠闭合和断开数量充足的开关,如何探究出并联电路中的电流规律?

图10 实验方案电路图

教师趁机指出:你们到高中学完“闭合电路欧姆定律”知识后,就会明白该测量方案错在哪里,有兴趣的同学咱们课后再研究(《物理通报》1991年第6期、《中学物理》1993年第3期、《数理化解题研究》2000年第7期和《物理通报》2003年第11期,先后刊载了笔者有关该电路设计方案的4篇拙作,但并未引起初中物理界和杂志编辑的关注。在这里我们要大声疾呼:经不起实验检验的“想当然”和“纸上谈兵”等实属计算方法,而并非真正的实验方案)。

学生设计的测量方案,通过实验检验正确的只有如下2种:

图11 测量方案电路图

图12 测量方案电路图

(1)使用4个单刀开关如图11所示;

(2)使用2个单刀双掷开关如图12所示。

依据以上2种方案进行实测时,必须遵守下列原则:在测量某条支路电流时,另1条支路必须同时处于通路状态。

四、探究电流表的“内”“外”接法

在“测量小灯泡的电阻”一课后,多种版本教参在“参考资料”里,几乎都编写了“关于电流表的‘内接法’与‘外接法’”内容(略)。由此可见,在中学“用伏安法测电阻”实验教学中,似乎应该渗透或必须强调表的“内接法”与“外接法”。然而,在我们使用实验室里常规配备的电学器材和2.5级的表与表多次实际测量时,并没发现上述2种测试电路有何特点或区别。原因何在?

在前面“探究1:电流进出表的规则”的(4)里已经说明:

我们共拆开4个厂家生产的表,经过粗略测量,得知接线柱“3”跟“-”之间是用挂锡的粗铜导线连接的:粗铜导线的长度在6.0~9.5cm之间,直径在1.4~1.5mm之间,其电阻值约为0.0007Ω~0.O009Ω;“0.6”跟“3”接线柱之间,是用挂锡的较长围弯的细铜导线连接的,细铜导线的长在8.0~13.5cm之间,直径在0.7~1.0mm之间,其电阻值约为0.0029Ω~0.0035Ω。由此可知:

综上所述,使用实验室里常规配备的精密度为2.5级的电流表和电压表等电学器材,在中学做“用伏安法测电阻”的实验中,是无法发现电流表的“内接法”与“外接法”的测量电路有何特点或区别的。从这个意义上说,历来教参里编写的相关内容和习题等,都是应该删除的。

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