朱灵俊
[摘要]文章以选修3-1第二章第六节《导体的电阻》教学为例,从教材和学情分析出发,探讨科学探究、科学思维在物理教学中的落实。如在实验探究环节实施解决问题、探究能力素养的培养,用比值定义的思想方法帮助学生理解电阻率,进而培养学生的科学思维素养。
[关键词]高中物理;核心素养;导体的电阻
[中图分类号]G633.7 [文献标识码]A [文章编号]1674-6058(2020)02-0049-02
新一轮高中课程改革围绕“核心素养”展开。“核心素养”的落实,要求教师改善教学方式、丰富教学手段、构建立体式教学体系,从而让学生在接受知识的过程中,不仅以学习知识为目的,更重要的是建立正确的人生观、价值观,让学生在以后的人生道路中能够适应社会以及个人发展的需要。
核心素养是由于时代的深刻变化和人们的观点与时俱进而产生的,是对学生发展提出的更全面、更综合的目标。它既包括我们常说的知识、能力、态度等的目标要求,也包括国家认同、自我管理、国际理解等目标。它是知识、能力、态度或价值观方面的融合,既包括问题解决、探究能力、批判性思维等认知性素养,又包括自我管理、组织能力、人际交往等非认知性素养。
下面,以《导体的电阻》教学为例,谈谈怎样在物理教学中更好地贯彻和落实核心素养教育。
一、教学要求分析
学科教学指导意见里的教学要求是:①知道用伏安法测量金属丝电阻的电路,会用伏安法测量电阻。②会用刻度尺测量金属丝的直径;会通过实验探究导体的电阻与长度、横截面积的关系。③理解电阻率概念,掌握电阻定律;领会“探究导体电阻与其影响因素的定量关系”实验中控制变量的思想。④会推导导体的电阻与长度、横截面积的关系;定性了解金属导体的电阻率与温度的关系。
二、学情分析
影响导体电阻大小的因素,学生在初中就学过,多数学生知道长度、横截面积、材料、温度是影响导体电阻的因素,但仅知道长度长、横截面积小,电阻就大,材料不同温度不同,电阻也不同,都是定性、简单的。
进入高中后,学生在这之前已经学习了电源电动势、欧姆定律、串联和并联电路、焦耳定律,会设计简单的电路图,会根据电路图连接实物线路,会用伏安法测电阻。
三、基于核心素养的教学要求
基于学生已有的知识水平和传统教学,要求:
(1)根据提供的实验器材,让学生用控制变量法,通过小组合作探究影响导体电阻的因素,并分析数据,归纳出实验结论。
(2)应用比值定义的思想理解电阻率的含义。
四、基于核心素养的高中物理教学设计
1.通过演示实验引入课题
教师给学生展示两盏正常工作的白炽灯,规格分别为“220 V,40 W”和“220 V,200 W”,观察亮度情况,发现200 W的灯比较亮。关灯后再观察灯丝情况,发现两灯的灯丝粗细不同。让学生分析原因,得到横截面积是影响导体电阻大小的因素,再引出研究问题:影响导体电阻大小的因素还有什么?电阻大小和这些因素之间有何关系?能不能找到相应的关系式?
2.实验探究影响导体电阻的因素
师:我们通过实验探究导体的电阻与导体长度、横截面积以及材料的关系。如何研究电阻与这三个因素之间的关系呢?
生:控制变量法。即控制导体的横截面积以及材料不变,研究导体的电阻与导体长度的关系……
师:这样一来,这个问题就等于分别研究导体的电阻与长度、导体的电阻与横截面积、导体的电阻与材料之间的关系了。
师:这些探究中,我们要测量导体的电阻值,如何测量电阻?
生:伏安法测电阻。
师:现在提供给大家的器材有:若干粗细不同、硬度不同的铅笔芯,放置铅笔芯的支架,电流表,电压表,滑动变阻器,干电池,导线等,请设计实验电路。
为了节约时间,将全班学生分成8个小组,其中1?3组研究电阻和长度的关系,4?7组研究电阻和横截面积的关系,第8组研究电阻和材料的关系。
铅笔芯是学生平常学习生活中普遍用过的,铅笔芯的主要成分是石墨和黏土,石墨具有导电性,配合粘土,其电阻又不会很小,可以避免短路。根据黏土与石墨的调配,我们可以得到不同型号的铅笔,丰富了素材的可选择性,能让学生直观地感受材料对电阻大小的影响。因此本课探究实验采用铅笔芯代替金属丝,不仅增强了认同感,更重要的是可以提升科学实验素养。
整个实验过程需要学生全员参与,这样就能充分发挥学生的主体作用和小组合作探究的作用。教师巡视,指导学生进行实验探究,对学生在研究中出现的问题进行点拨指导,要求各组把数据记录在实验报告纸上,并进行分析,引导学生得出正确的结论,从而激发学生的学习热情。
最后,各实验小组代表进行实验数据和实验结论的汇报。初步得出结论:导线的电阻与导线的长度成正比,导线的电阻与导线的横截面积成反比,电阻与材料的性质有关。
3.结论的理论分析
在材料一定的前提下,导体的电阻与长度成正比、与横截面积成反比,根据串并联电路的总电阻规律也可以得到这样的规律:
两因素合并得到关系式,假设正比例系数为k,得到。
然后和学生一起对k展开讨论,发现有三个特点:
在实验探究和理论探究中,没有规定用什么材料。说明不论是何种材料,只要是同一种材料,k就是恒定不变的,与长度、横截面积、电阻大小都无关。
不同的材料,k的数值一样吗?可以用学生之前探究的电阻与材料关系的实验数据来说明。几个导体对比,L、S都一样,只是材料不一样,那么根据关系式可知,若R不同,則k不同。
还发现,根据生活经验,k的数值大小与材料的导电性能有关,k值小的,导电性能相对好些。
从而确定k可以用来反映材料对导体电阻的影响。物理学上也是这么做的,把k叫电阻率,用p来表示。这样,上面的正比例等式变成了电阻定律公式。
类似这样的理论推导,在必修1《加速度与质量、合外力关系》及选修3-1第一章《电场强度、电容器的电容》的学习中接触过,学生还是能够主动思考的。让学生在逻辑世界中感悟电阻率的含义,自然引出电阻率。
4.电阻率分析
电阻率与温度因素相关的教学是本节课的难点,通过一道习题和一个演示实验的分析可以巧妙地化解教学难点。采用课本中的习题:R1和R2是材料相同、厚度相同、表面为正方形的导体,但R2的尺寸比R1小很多,通过两导体的电流方向如图1所示,试比较R1和R2的大小。
和学生讨论明白L如何确定后,学生很快解出:,所以。
教师引导:体积不同的导体可以通过控制厚度使电阻相同,可以使电路微型化,集成电路的发展,电阻定律提供了理论支持,但也带来了新的问题——散熱,散热不好,电路不稳定,为什么温度对电阻有影响?有什么样的影响呢?
演示实验展示:小电珠、学生电源、敲破玻璃的200 W的白炽灯及开关串联成回路,如图2所示。合上开关,小电珠发光,用打火机烧白炽灯灯丝,发现小电珠不发光了。
师生一起讨论实验现象:打火机烧灯丝,使灯丝温度升高,灯丝电阻变大,回路电流变得很小,所以小电珠不发光了。结论是温度升高,灯丝电阻变大。
再用电阻定律来讨论:灯丝的长度不变,横截面积不变,材料也没变,但电阻变大了,为什么电阻率变大了。如果用电阻定律来测量某材料的电阻率,在长度、横截面积、材料都不变的情况下,改变温度,就能测到不同的电阻率,这就意味着电阻率和温度具有一一对应关系。展示课本中的电阻率表,纯金属的电阻率随温度升高而增大,有的合金的电阻率几乎是不变的。利用这些特点,可以按需制作不同的电阻。其他材料的电阻率和什么因素有关呢?与温度有什么关系呢?可以课外再研究。
五、总结
总之,教师应创设鲜活、真实的学习情境,带领学生领略物理学的价值,体验物理学研究过程中的科学精神,从而提升物理素养。
[参考文献]
[1]田亮.《导体的电阻》课堂教学实践与反思[J].新课程(下),2017(12):146-147.
[2]钟力,冯才梁.《导体的电阻》教学设计[J].中学物理,2015(13):7-9.
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