蒋守霞
[摘要]在物理教学中发现,学生分析解答电路分析问题时容易出错。为了展示学生分析电路的思维过程,可以将电学小实验与习题分析解答思路的“可视化”相结合,把其中的物理思维(思考方法和思考路径)通过图形或者微课呈现出来,还原学生的思维路径,暴露并纠正学生解题中的错误,进而提升学生分析解答电路问题的能力。
[关键词]初中电学习题;可视化;直观性
[中图分类号]G633.7 [文献标识码]A [文章编号]1674-6058(2020)02-0038-03
电学是初中物理比较难的内容,从电路连接的基本方式到欧姆定律,再到电功、电功率,最后到电热(焦耳定律),台阶一个比一个高,每个台阶都会有人掉队。讲好电学、学好电学,成了教师和学生的高目标。传统教学中,教师辛苦地讲,学生费力地听,由于内容比较抽象,教师讲完了,学生当时知道了,但过不了多久又忘了,原因是没有“可视化”的思维印迹。解决这个问题的有效方法之一是将学生分析解答问题的过程用“可视化”的思维印迹展示出来,让错因在学生的脑海中留下深刻的印象,进而让出错的学生纠正错误,让没有出错的学生避免出现类似的错误。
初中电学知识体现“五多一大”,即概念多、规律多、实验多、公式多、应用多、中考占分比大。电学习题纷繁复杂,下面在分析典型问题的基础上进行必要的拓展引申,展示“可视化”的思维。
一、填写电表符号问题
[例1]如图1所示,试在甲、乙两个圆圈内选填“电压表”和“电流表”的符号,使两灯组成并联电路。
(1)解题思路:为了描述问题方便,将两个灯泡命名为L1和L2。要使两灯组成并联电路,甲左侧的灯L1一定能亮,如图2,如何使乙左侧的灯L2发光呢?电流从电源正极流出,经过分支点,电流分流,其中一条必须经过甲,如图3,再走乙左侧灯泡L2,到达支点电流汇合后,经过导线,再经过闭合的开关S,流到电源负极。综上所述,甲圈起了导线连接作用(电流表),乙圈起着断路的作用(电压表),如图4为正确答案。上述分析突出了解题思路的结构性与逻辑性。
(2)学生错误呈现:分析全班学生对此题的解答情况,发现有的学生解答错误。有的学生的解答过程如图5,在交流中发现学生普遍认为分支点在两个灯泡之间,此时电流有两条路径,既可以走导线,也可以走灯泡和乙圈所在路径。
(3)学生解题思路的“可视化”分析:将学生的思维路径暴露出来后,笔者就明白他们对串联电路的部分短路特点认识不足。在此题的讲解中,笔者将错就错,沿着学生的思路进行如下教学设计:先去掉电压表,简化电路如图5,此时附和的学生很多,“对的,我就是这么想的……”赞同声不绝。电流的流向从电源正极流出后,流经L1,学生的分歧点在L1上方,很多学生认为走L2和电流表,经过开关,回到电源负极;少部分学生认为电流经过L1后,走上方导线,走开关S回到电源负极。为了突破这一学习难点,笔者找了一张白纸,遮住了L2上方的导线,引导学生分析此时的电路连接方式,学生异口同声地说道“串联电路”,电路呈现如图6所示,接下来笔者进一步引导:“如果此时老师拿一根导线短接L2和电流表,情况又如何呢?”设置悬念,引导学生探究,观察实验现象。
安排学生分组实验后发现L1发光,L2不发光,电流表无示数,说明L2和电流表被短路。学生分组实验的电路图如图7所示,不满足使两灯组成并联电路的题干要求,且通过分析和实验探究,学生对导线的短路作用的认识进一步深化。
变式训练一:如图8所示,电路中有L1、L2两盏灯,请在图中圆圈内分别填入A或V的符号,要求开关闭合时L1、L2都能发光,且两电表的示数均不为零。
变式训练二:如图9所示电路中有两个小灯,请在图中圆圈内,分别填入电灯、电流表或电压表的符号。要求开关断开时两灯均不发光;开关闭合时两灯均能发光,且两电表的示数均不为零。
教学感悟:课堂教学中将学生的思维以“可视化”的方式呈现,教师一步步引导,再通过物理实验克服学生思维上的“障碍点”,最后充分运用学校已有的信息技术,通过云痕大数据平台,将类似题型呈现给学生,进行变式训练,使得课堂教学更高效。同时笔者将这一知识点做成微课发布在校内数字化学习平台上,以满足不同学习进度的学生的学习需要。
二、多开关连接问题
多开关连接问题,常通过开关改变电路连接方式,
学生解答这类问题时,也容易出错。
[例2]如图10所示电路中,电源电压不变,已知R1=6?,R2=4?,当S1和S2都闭合时,电流表A1的示數为1 A,电流表A的示数为2.5 A,求:
(1)电阻R3的阻值和电压表的示数;
(2)当S1和S2都断开时,电流表A1、A和电压表V的示数。
分析:多开关问题,运用分析法画出符合题目要求的等效电路图。当S1和S2都闭合时,闭合的S2将电阻R2短路,如图11,无电流通过电阻R2,将R2去掉如图12,经过电路简化学生较容易看出电压表并联在导线两端,电压表测导线电压(这是学生的易错点),电压表去掉后,电路进一步简化为图13,此时R1和R3并联,电流表A1测R1支路电流,电流表A测干路电流。
当S1和S2都断开时,等效电路图如图14所示,R1和R2串联,电流表A1的示数为1 A,电流表A的示数与电流表A1的示数相等,电压表测R2两端电压。
解答:(1)
(2)因为是串联电路,且电源电压为6 V,所以
教学感悟:学生的典型错误是在问题(1)中当S1和S2都闭合时等效电路图画不出或者画错,原因在于学习简单电路时多开关问题没有掌握好,对短路或部分短路现象识别不清导致的错误。对此类问题的教学建议是引导学生巩固多开关问题,多画一画不同情境下的等效电路图。
变式训练:如图15所示电路中,
(1)若使L1、L2串联,则应闭合_____,断开_____;
(2)若使L1、L2并联,则应闭合_____,断开_____;
(3)如果只闭合S3而断开S1、S2,则灯_____亮;
(4)如果只闭合S1和S2而断开S3,则灯_____亮;
(5)同时闭合开关_____,电源短路是不允许的。
解析:(1)使L1、L2串联,串联是把用电器逐个顺次连接起来的,此时电流从电源正极流出,经过用电器L1、L2回到电源负极,只有一条路径,如图16。此时画出等效电路图,简化电路是最好的方式,如图17,所以,使L1、L2串联,则应闭合S2,断开S1和S3。
(2)使L1、L2并联,如图18和图19,则应闭合S1和S3,断开S2。
(3)按照题目要求,只闭合S3而断开S1和S2,等效电路图如图20,此时没有电流的流通路径,所以灯都不亮。
(4)闭合S1和S2,断开S3,等效电路图如图21,图22和图23所示,只有L2亮,闭合的开关S1将S2和L1短路。
(5)同时闭合开关S2和S3,等效电路图如图24和图25所示,此时电源被短路。
三、电路故障分析题
串并联电路的典型故障通常有两类:短路和断路。
(1)电流表无示数:断路或电流表被短路。
(2)电压表无示数:电压表与电源之间有断路或电压表测量部分短路。
(3)灯泡不亮的话,要结合电流表和电压表一起判断:若电流表无示数,则多数情况是断路;若电压表也无示数,则电压表以外断路;如果电压表有示数,而电流表无示数,则电压表测量部分断路;若电流表有示数,而电压表无示数,一般是灯泡短路。
[例4]如图26所示,当开关S闭合后,两个灯泡均发光,两电表均有示数。过一段时间后,发现电压表示数变为0,电流表示数增大。经检查发现除灯泡外其余器材的连接良好,造成这种情况的原因可能是()。
A.灯L1断路 B.灯L2短路
C.灯L1短路 D.灯L1、L2断路
学生分组实验一:模拟灯泡L1短路的情形,取一根导线并接到L1的两端,闭合开关,灯泡L2发光,且亮度增加,电流表示数变大,电压表无示数(被短路)。
学生分组实验一中,电流路径的“可视化”分析如图27和图28,此时电路从两个用电器变为只有L2,电阻变小,电流变大,电压表示数根据欧姆定律分析U=IR导线=I x 0=0。
学生分组实验二:模拟灯泡L1断路的情形,将灯泡L1从灯座上取下来,闭合开关,灯L2不亮,电流表无示数,电压表示数变大,为电源电压(初中物理将电源看成理想电源,不考虑电池内电阻)。
学生分组实验二中,电流路径的“可视化”分析如图29和图30,此时L1断路,串联电路断路,L2不亮,电流表示数为0,那为什么电压表示数变大呢?虽然L2熄灭,电流表无示数,但是L2和电流表、闭合的开关S、导线都是导体,电压表可以连接到电源两极上,从测L1两端的電压变为测电源电压。
初中物理将电源看成理想的电源,不考虑电源内电阻,但学生做实验时内电阻仍然有较大影响,为了减小实验误差,建议教师做演示实验时,用内电阻较小的学生电源,以减小电源内电阻的影响。同样,教师可以引导学生做灯L2短路、断路的模拟实验,这里就不再一一探讨了。
总之,解题是学习物理的必由之路,习题课教学也是中学物理教学必不可少的一个重要环节。教师在讲解习题时,强化“可视化”思维的展示,首先要顺应学生的“错”,使学生得到较大的认同感,然后结合物理实验和微课等信息技术手段,克服思维障碍,再辨析概念,进一步深化学生对相关规律的理解,进而提升学生运用有关规律、方法解决问题的能力。
[参考文献]
[1]徐祥宝.从碎片化解题走向结构化解题:基于核心素养的“自然而然法”解题模式简介[J].物理教师,2019(1):35-40.
[2]陈晓凤.可视化方法在初中物理电学实验二轮复习中的运用[J].新课程(中),2018(9):237.