Excel輔助高中物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)

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摘要：利用計(jì)算機(jī)軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于借助較直觀的圖表，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。以利用excel輔助高中物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)的嘗試為例，將分壓、限流、內(nèi)接、外接的各種誤差變化直觀且動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)于學(xué)生面前，方便學(xué)生對知識的理解與鞏固。教師要拓展教學(xué)思路，研究新的教學(xué)方法，以實(shí)現(xiàn)更有效的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：Excel輔助；物理教學(xué)；滑動(dòng)變阻器接法；內(nèi)接法；外接法；誤差分析

利用計(jì)算機(jī)軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是優(yōu)化物理教學(xué)的重要途徑，有利于引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)科本質(zhì)，提升學(xué)科核心素養(yǎng)，這也是促進(jìn)教學(xué)手段現(xiàn)代化的需要[1]。“測電阻”及其相關(guān)知識為高中物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容，也是高考物理試卷中的高頻考點(diǎn)，其中對于滑動(dòng)變阻器的選擇及接法、電流表內(nèi)接或外接問題的考查較為頻繁，考查方式有：器材選擇、畫電路圖、實(shí)物圖連線、誤差分析等。但許多學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中只記口訣，如“從零開始用分壓”“大內(nèi)偏大、小外偏小”之類，以應(yīng)付解題，卻對其中的物理原理無法深入理解，這大多與教師的教學(xué)方式有關(guān)，僅從公式角度去推導(dǎo)，會(huì)使得學(xué)生對物理過程印象不深刻，無法形成較長時(shí)間的記憶。筆者在實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)中，利用Excel輔助物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)，將分壓、限流、內(nèi)接、外接的各種誤差變化直觀且動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)于學(xué)生面前，取得了良好的教學(xué)效果。

一、滑動(dòng)變阻器的接法對比

1.分壓式接法

(1)電路及原理

設(shè)R滑中與待測電阻并聯(lián)的那一部分為R左，Ux為Rx獲得的電壓，見圖1。(2)圖像對比分析當(dāng)電源電動(dòng)勢E=10V，內(nèi)阻r1=1Ω，待測電阻Rx=10Ω，選取三種滑動(dòng)變阻器作為研究對象，使R滑分別為：100Ω，10Ω，4Ω，改變R左，當(dāng)R左/R右取不同值時(shí)，研究Ux隨R左變化的數(shù)據(jù)(見表1)，趨勢對比見圖2。小結(jié)：可以看出，滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法時(shí)，均可以實(shí)現(xiàn)Ux從0開始變化，調(diào)節(jié)范圍比較大。當(dāng)R滑＞Rx時(shí)，Ux未能隨之呈線性變化；當(dāng)R左/R右較小時(shí)，Ux隨R左/R右變化不明顯；而當(dāng)R左/R右較大時(shí)，Ux隨R左/R右變化而急劇變化，故不易調(diào)節(jié)；當(dāng)R滑=Rx時(shí)，除了R左/R右較大的那一小段，其余的Ux隨著R左/R右變化呈線性變化；當(dāng)R滑＜Rx時(shí)，Ux隨著R左/R右變化也呈線性變化。當(dāng)然，根據(jù)閉合電路歐姆定律可知，R滑過小時(shí)，R總也會(huì)很小，造成干路電流過大，不但耗能，而且易燒壞電路。所以在測量電阻時(shí)，需要使Ux可調(diào)節(jié)范圍較大，且當(dāng)R滑＜Rx時(shí)，R滑又不至于比Rx小太多，因此比較適合分壓式接法。2.限流式接法(1)電路及原理設(shè)R滑中有效接入電路的那一部分為R左，Ux為Rx獲得的電壓，見圖3。

(2)圖像對比分析

取電源電動(dòng)勢E=10V，內(nèi)阻r1=1Ω，待測電阻Rx=10Ω，選取三種滑動(dòng)變阻器作為研究對象，使R滑分別為：4Ω，30Ω，300Ω。改變R左，當(dāng)R左/R右取不同值時(shí)，研究Ux隨R左變化的數(shù)據(jù)(見表2)，趨勢對比見圖4。小結(jié)：可以看出，當(dāng)滑動(dòng)變阻器采用限流式接法時(shí)，均不能實(shí)現(xiàn)Ux從0開始變化，調(diào)節(jié)范圍總體較小。當(dāng)R滑＜Rx時(shí)，可調(diào)節(jié)的范圍比較小；當(dāng)R滑＞Rx時(shí)，調(diào)節(jié)范圍會(huì)變大；當(dāng)R滑是Rx的十倍甚至幾十倍時(shí)，表面上看Ux的變化范圍大大增加，但實(shí)際上，當(dāng)R左/R右較小時(shí)，Ux隨著R左/R右變化而急劇變化，而當(dāng)R左/R右較大時(shí)，Ux卻幾乎無變化，此階段實(shí)際是無效調(diào)節(jié)。所以在此種情況中，有效調(diào)節(jié)的范圍實(shí)際上變小了。所以，當(dāng)測量電阻時(shí)，不強(qiáng)調(diào)從0開始調(diào)節(jié)，且R滑略大于Rx或?yàn)镽x的幾倍時(shí)，比較適合限流式接法。而且，根據(jù)閉合電路歐姆定律可知，若R滑相對大一些，R總也會(huì)相對大一些，干路電流較小，不但節(jié)能，而且能保護(hù)電路。

二、電流表內(nèi)外接法的對比

1.電流表外接法誤差分析

(1)電路圖及原理

(見表3)(2)圖像對比分析選取R真分別為：10Ω，20Ω，30Ω……，令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V，3.0V，4.5V……，得到電阻測量值，填入表4中。再換電壓表2(RV2=150000Ω)，測相同的電阻：10Ω，20Ω，30Ω……，同樣令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V，3.0V，4.5V……，得到電阻測量值，填入表4中，對比兩組測量值相對誤差的變化趨勢(見圖5)。

(2)圖像對比分析

選取R真分別為：10Ω，20Ω，30Ω……，令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V，3.0V，4.5V……，得到電阻測量值，填入表4中。再換電壓表2(RV2=150000Ω)，測相同的電阻：10Ω，20Ω，30Ω……，同樣令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V，3.0V，4.5V……，得到電阻測量值，填入表4中，對比兩組測量值相對誤差的變化趨勢(見圖5)。小結(jié)：可以看出，采用電流表外接法時(shí)，無論是接入電壓表1(RV1=15000Ω)還是接入電壓表2(RV2=150000Ω)，當(dāng)待測電阻增大時(shí)，測量值的相對誤差都變大；接入電壓表1相對于接入電壓表2所造成的測量值的相對誤差更大。故采用外接法測量小電阻時(shí)，測量值相對誤差較小；外接法的誤差來源于電壓表的分流作用，當(dāng)采用的電壓表內(nèi)阻RV較大時(shí)(即越接近理想電壓表時(shí))，相對誤差越小。

2.電流表內(nèi)接法誤差分析

(1)電路圖及原理(見表5)

(2)圖像對比分析

當(dāng)電壓表阻值分為RA1=0.5Ω，RA2=0.05Ω時(shí)，代入以上公式，可得相關(guān)數(shù)據(jù)(見表6)，對比測量值相對誤差的變化趨勢見圖6。小結(jié)：可以看出，采用電流表內(nèi)接法時(shí)，無論是接入電流表1(RA1=0.5Ω)還是接入電流表2(RA2=0.05Ω)，當(dāng)待測電阻增大時(shí)，測量值的相對誤差都會(huì)變小；接入電流表1(RA1=0.5Ω)相對于接入電流表2(RA2=0.05Ω)所造成的測量值的相對誤差更大。故當(dāng)采用內(nèi)接法測量大電阻時(shí)，測量值相對誤差較小；內(nèi)接法的誤差來源于電流表的分壓作用，當(dāng)采用的電流表內(nèi)阻RA較小時(shí)(即越接近理想電流表時(shí))，相對誤差越小。

3.關(guān)于測量電阻是屬于“大電阻”還是“小電阻”的判斷

由前述可以看出：當(dāng)測量小電阻時(shí)，采用外接法測量值相對誤差較小；當(dāng)測量大電阻時(shí)，采用內(nèi)接法測量值相對誤差較小，但問題是：當(dāng)已知一個(gè)待測電阻的估計(jì)值時(shí)，如何判斷此電阻是大電阻還是小電阻？當(dāng)測量某一阻值為R的電阻時(shí)，用外接法測量的相對誤差為：δ1=RR+RV；用內(nèi)接法測量的相對誤差為：δ小結(jié)：可以看出，采用電流表內(nèi)接法時(shí)，無論是接入電流表1(RA1=0.5Ω)還是接入電流表2(RA2=0.05Ω)，當(dāng)待測電阻增大時(shí)，測量值的相對誤差都會(huì)變小；接入電流表1(RA1=0.5Ω)相對于接入電流表2(RA2=0.05Ω)所造成的測量值的相對誤差更大。故當(dāng)采用內(nèi)接法測量大電阻時(shí)，測量值相對誤差較小；內(nèi)接法的誤差來源于電流表的分壓作用，當(dāng)采用的電流表內(nèi)阻RA較小時(shí)(即越接近理想電流表時(shí))，相對誤差越小。3.關(guān)于測量電阻是屬于“大電阻”還是“小電阻”的判斷由前述可以看出：當(dāng)測量小電阻時(shí)，采用外接法測量值相對誤差較小；當(dāng)測量大電阻時(shí)，采用內(nèi)接法測量值相對誤差較小，但問題是：當(dāng)已知一個(gè)待測電阻的估計(jì)值時(shí)，如何判斷此電阻是大電阻還是小電阻？當(dāng)測量某一阻值為R的電阻時(shí)，用外接法測量的相對誤差為：δ1=RR+RV；用內(nèi)接法測量的相對誤差為：

三、結(jié)語

在本次實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)中，筆者利用Excel輔助物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)。課前備課時(shí)，先設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)；在課堂上分析原理時(shí)，生成各種圖表，此過程便于將分壓、限流、內(nèi)接、外接的各種誤差變化直觀且動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)于學(xué)生面前，使其從各種圖表信息中體會(huì)到相應(yīng)的物理內(nèi)涵，看得清、學(xué)得實(shí)、記得牢。現(xiàn)在很多學(xué)校的多媒體設(shè)備都很齊全，但通常僅限于教師講解或是播視頻時(shí)使用。對此，教師要拓展教學(xué)思路，讓Excel等軟件有效輔助教學(xué)，使之較直觀地反映物理規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解與鞏固，以實(shí)現(xiàn)更有效的教學(xué)[2]。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2017.

[2]方武增.教輔軟件進(jìn)課堂生成成自然—利用Excel軟件分析物理題實(shí)例[J].物理教學(xué),2017(6):53-54.

作者:方武增 單位:廣東省揭陽市惠來慈云實(shí)驗(yàn)中學(xué)