二次开发教材 探究电阻定律

陈小雅

摘 要：本文利用自制教具，创造性地使用教材，引导学生设计并探究电解质溶液（硫酸钠溶液）的电阻与其长度、横截面积的关系，帮助学生更全面地认识电阻定律。

关键词：液体电阻；电阻定律；长度；横截面积

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）3-0032-4

《普通高中物理课程标准》明确提出：“倡导不受某一种教科书的束缚，吸收和利用各种有利于学生发展的课程资源。教师应根据本校特点和学生的需求，精选课程资源，充实物理课程的教学内容。”可见，在新课程背景下，教师不能再只是“教材的消费者”，更应努力成为“教材的开发者”。另外，由于教材编写受科学性、完整性和逻辑性的要求，往往会缺乏趣味性。而从教科书演变成实际教学活动的过程，又需要师生积极互动、智力交锋、相互启迪、设问释疑、轻松和谐的氛围，单纯的教材是无法满足教学要求的。因此，二次开发教材，提高教学的有效性是每位教师都应努力的方向。那么，如何进行教材的二次开发呢？

以“司南版”高中物理选修3-1第三章第二节《电阻》为例，教材分为“探究电阻大小影响因素”和“身边的电阻”两部分。笔者根据所教学生的具体情况以及校本资源储备，对该部分教材进行了二次开发。

（1）补充教材内容：增加了探究电阻大小受温度、光照、溶质和浓度等因素影响的系列实验作为引入，补充介绍液体电阻启动柜等知识，既增强了趣味性，又拓宽了学生的知识面。

（2）调整教学顺序：将“身边的电阻”调到探究实验之前，作为引入实验和液体电阻的衔接，使教学过渡更自然。

（3）替换教学内容：教材中采用几条同材料同规格的金属丝串联改变长度、并联改变横截面积的方法，让学生定量探究电阻大小的影响因素。该方法设计巧妙，能够达到实验目的。但不够直接，且电路的连接较为繁杂。教学实践中发现，学生在连接电路时要花大量的时间，从而导致后面的分析讨论非常紧张，重点不能突出。考虑到在初中阶段，学生已尝试过利用金属丝定性探究电阻大小与其长度、横截面积的关系，而电阻定律不仅适用于金属导体，也适用于均匀的电解质溶液。为了让高中学生对电阻定律有更宽广、更深入的认识，笔者自制简单的教具，将定量探究的对象由固体电阻改为液体电阻——硫酸钠溶液。引导学生利用自制的教具自主设计实验进行探究，得出电阻定律。

教材二次开发后的具体教学设计如下。

1 引入：“谦卑而又万能的电阻”（演示实验）

【实验准备】

光敏电阻、热敏电阻各一个，三极管放大器、小灯泡各两个，电池四个，凉水和开水各一杯，手电筒一把，导线若干。

1.1 光照对光敏电阻的影响

【学生观察】

光照越强，小灯泡越亮。

【现象分析】

光敏电阻的阻值随光照增强而减小。

1.2 温度对热敏电阻的影响（对比浸入开水和凉水）

【学生观察】

温度越高，小灯泡越亮。

【现象分析】

热敏电阻的阻值随温度升高而减小。

【应用讨论】

光敏电阻可用于路灯自动开关等电路的自动化控制；热敏电阻可用于火警报警电路的自动化控制。

1.3 展示不同种类电阻器的图片，认识“身边的电阻”

【设计意图】

让学生初步了解电阻大小的影响因素，并体验电阻器在自动化控制中的应用，激发学生的学习兴趣。

2 液体电阻

【衔接】

不仅固体可以充当电阻，液体也可以充当电阻。

2.1 展示图片：液体电阻启动柜及水阻箱

【介绍】

这是工业上大中型电机启动时用的液体电阻启动柜。水阻箱内装了电解质溶液可以充当电阻。它是怎样工作的呢？

【设计意图】

通过联系生产中的大型设备，引导学生关注STS，体会物理在生产中的贡献，激发学生学习物理的欲望，同时又为后面的探究实验做铺垫。

2.2 演示实验：溶质及浓度对液体电阻的影响

【实验准备】

电解质溶液导电演示器（化学实验室借用）、高中学生电源（选择“交流”）各一台，现榨橘汁、自来水各一杯，同浓度盐水、硫酸钠溶液各一杯，无水硫酸钠粉末，导线若干。

【学生观察与分析】

（1）连接好电路，接通10 V交流电后，同浓度食盐水支路的小灯泡最亮，硫酸钠溶液支路的小灯泡发光但较暗，橘汁和自来水支路的小灯泡不发光。可见，液体电阻受溶质影响。

（2）浓度对液体电阻有何影响？

在硫酸钠溶液中适量增加无水硫酸钠粉末，小灯泡变亮。可见，液体电阻受浓度影响。

（3）如何让与橘汁串联的灯泡发光？还有什么方法可以使其亮度发生变化？

①改变橘汁中两极板的间距。随极板间距减小，小灯泡变亮；随极板间距增大，小灯泡变暗。可见，液体电阻大小与其接入电路的长度有关。

②将两极板平行上下移动。

（4）极板平行上下移动改变的是什么物理量？

引导学生根据连接方式，找出相应的长度和横截面积并总结：

长度L：沿电流方向；

横截面积S：垂直于电流方向。

可见，极板上下移动改变了液体电阻的高度，从而改变了液体电阻的横截面积。

【设计意图】

通过演示实验让学生初步感受液体电阻大小的影响因素，减少学生实验探究的任务，同时为控制变量做准备。另外，果汁电阻与学生生活联系紧密，让学生体会电阻无处不在，激发学习的兴趣。

3 电阻大小的影响因素

3.1 师生总结

电阻大小与以下因素有关：

（1）与材料、温度、光照、液体浓度等有关；

（2）长度；

（3）横截面积。

【提出问题】

电阻大小与长度、横截面积是怎样的关系？

【学生猜想】

电阻随长度的增大而增大，随横截面积的增大而减小。

【进一步提问】

电阻大小与长度、横截面积具有怎样的定量关系？

【学生猜想】

电阻与长度成正比，与横截面积成反比。

【教师说明】

随着一个量的增大而增大不一定是成正比，随一个量的增大而减小也不一定是成反比，它们具体是什么关系？我们需要通过实验来研究。

3.2 实验设计

（1）实验方法：控制变量法

【提问】

如何控制变量？

【学生】

控制S、材料等不变，改变L，研究R与L的关系；

控制L、材料等不变，改变S，研究R与S的关系。

（2）引导学生根据实验器材设计实验

【提出问题】

如何改变长度？如何改变横截面积？

展示自制教具：

【提出问题】

如何根据桌面上的器材设计实验？

【引导学生设计】

①通过保持极板插入的深度不变，改变两极板间距，即可改变接入的液体电阻的长度；

②通过固定两极板的距离，定量增加液体，即可改变接入液体的横截面积。

【提出问题】

如何测电阻？

【学生】

伏安法。

【仪器介绍】

高中学生电源：使用交流电压4 V输出，以减小溶液中正负离子由于电解而使相对浓度改变。交流电流表：选择量程100 mA，最小刻度2 mA，注意读数。

交流电压表：量程5 V，最小刻度0.2 V，注意读数。

【实验电路】

电源、液体电阻、交流电流表串联，交流电压表并联在液体电阻两端。

【注意事项】

（1）注意保持两极板（铜片）平行且相对；

（2）读数时，应正视刻度，保持视线与刻度面垂直；

（3）每次读数后应立刻关闭电源再进行下一步操作，以减小温度对电阻的影响；

（4）实验结束后，应注意溶液的回收再利用。

【设计意图】

这是本节课的创新所在。

本实验装置，连线及测量都很简单，学生看到装置都能在教师的引导下进行设计。另外，对于固体电阻，学生比较熟悉，在初中已定性探究过了。而对于液体电阻，学生相对陌生些。通过这个实验可以加强学生对液体电阻的认识。选择硫酸钠溶液的好处是其电解后不会产生有毒气体，安全。液体电阻的另一优点是可以通过改变浓度，调整其电阻大小，简单方便。盒子的制作也简单且成本低。

3.3 学生实验探究并由四组同学派代表把数据录入Excel表格（表1、表2）

3.4 数据分析

（1）插入公式计算电阻R，分别作R-L图像和R-1/b图像；

（2）插入过原点的倾斜直线进行拟合（如图3、图4所示）；

（3） 误差分析。

【设计意图】

利用Excel表格处理数据，使作图更准确、更高效，既体现了信息技术与物理学科教学的融合，又为课堂争取了宝贵的时间。

3.5 得出结论

【学生归纳实验结论】

导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比，还跟导体的材料有关。

【教师总结】

总结电阻定律，引入新的物理量——电阻率ρ，引导学生得出电阻定律的表达式，并分析各物理量的单位关系。

4 认识电阻率

1.电阻率ρ与电阻R的区别：

ρ反映材料的导电性能，与L、S无关；

R 反映导体的导电性能，与L、S有关。

2.电阻率ρ随温度的变化规律：展示“司南版”选修3-1课本中第55页的图3-10和图3-11，并讨论。

5 生产应用——液体电阻启动柜

液体电阻启动柜工作时，通过机械传动装置使电解质溶液中两平行极板的距离逐渐减小至零，从而使连入电机回路中的阻值平滑减小，实现绕线式大中型电动机的平滑起动，避免冲击电流过大。故液体电阻启动柜广泛应用于工业上大中型电机的启动。

【设计意图：前后联系，学以致用】

液体电阻相对于金属导体而言，较为复杂。很多老师对其望而却步，不敢谈及。但其实只要事先把实验条件设置好，学生是可以理解和接受的。本文中的探究实验设计是笔者经历两个多月不断摸索和改进的成果。多次教学实践发现，学生能很好地根据实验器材，围绕实验目的展开探究，得出结论，并对液体电阻有更深入的认识。利用液体电阻进行实验，不仅能丰富学生的认知，同时缩短实验时间，而且可以通过改变溶液溶度调整电阻大小。相对于固体电阻而言，利用液体电阻进行实验，更简单方便，成本更低。

新课程要求教师既要是课程的实施者，又要努力成为课程的开发者和建设者。这就需要教师们在教学实践中有足够的勇气和毅力，大胆地去尝试调整教材、开发教材，以使教学活动更符合具体的学情和校本需求。尝试的过程是艰辛的，但成果是喜人的！

参考文献：

[1]教育部. 普通高中物理课程标准（实验稿）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]陈野. 新课程背景下对高中物理教材“二次开发”的思考与探索[J].物理教学探讨，2009，27（3）：58.

[3]刘豹，张宏. 液体电阻率测定电路的设计[J].电子测量技术，2010，33（11）：57—60.

[4]张怀年，姚东永.利用伏安特性曲线探究电解槽导电规律[J].中学物理，2009，27（3）：15—16.

[5]葛桂莲. 怎样理解欧姆定律适用于电解液[J].中学物理教学参考，2007，36（6）：18.

（栏目编辑 李富强）