基于内阻和电表改装问题的数字化创新实验设计

安徽省合肥市庐江县龙桥镇初级中学(231551) 刘信生安徽省合肥市庐江县罗河镇店桥初级中学(231556) 张贵林安徽省合肥市庐江县教育体育局教研室(231550) 邢海根 傅求宝

初高中物理知识衔接题是近几年中考试题的一大亮点，该类考题不仅是知识衔接，更是物理思想和物理方法的衔接，是培育学生核心素养的一条重要途径。近几年，中考物理试题多次出现“内阻”和“电表改装”等考题，由于内容抽象，多数教师应对策略是运用理论推导和计算，应对的办法是用题海战术。笔者也曾是如此，但总是感到有些空落，发现学生对知识的理解也只能停留在理论层面上，很难体验到改装的真实过程。如何设计实验，能让学生真实地测量这些电表的内阻？若能设计一套电路，能让学生实地体验改装这些电表的操作过程，那岂不是更好。如果能用实验室现有的实验器材，另加一些辅助的器具实施实验教学，将更是锦上添花。实验室直流电流表和电压表是最常见的电学仪表，由于学生对这两种电表的量程、分度值、使用方法等都非常熟悉，也是学生使用频率最高的两种电学仪表。笔者就利用实验室现有的双量程电流表和电压表，指导学生进行真实的电路改装实验，体验改装实验的整个过程，让学生感受到科学的奥秘和探索的快乐，亲身体会“做中学”的教学理念。“千讲万教说不清，一看实验全明白”，也就是这个道理。

1 电流表的“扩程”实验及其内部电阻分析

1.1 将电流表的0.6 A量程改成3 A量程的“扩程”实验

实验器材：J1209型学生直流电源1只(量程为40 A)，J0407型电流表2只，镍铬合金丝1根(阻值为1 Ω左右)。HPS2501A型数字毫欧计1只(测量范围0～2 Ω，分度值为1 mΩ)，滑动变阻器(50 Ω,5 A)1只，开关1只，带鳄鱼夹的导线若干根。

如图1所示连接实物图，电流表A1接0.6 A且与镍铬合金丝并联后再与电流表A2串联组成，接入开关S，让滑动变阻器处在阻值最大位置。

实验步骤:

(1)接通电源，闭合开关S，滑动滑动变阻器使电流表A2的示数为满偏3 A。

(2)再移动与A1表并联的镍铬合金丝上的鳄鱼夹的位置，使电流表A1的示数为满偏0.6 A为止。并记下此时两鳄鱼夹的位置。此时镍铬合金丝上通过的电流值为：I丝=I2-I1=3 A-0.6 A=2.4 A。

1.2 电流表的内部电路组成及阻值分析

如图3所示，图3(a)为J0407型电流表的接线柱间标识电路图，图3(b)为其电路结构图。

(1)若将电流表“—”和“0.6 A”两接线柱接入电路中，这时，电路是两条支路并联：一条支路是10 Ω的小量程表头和65 Ω串联，另一条支路是0.11 Ω和0.44 Ω电阻串联。电路的总电阻为:

(2)若将电流表“—”和“3 A”两接线柱接入电路中，电路是两条支路并联：一条支路是10 Ω的小量程表头和65 Ω、0.44 Ω电阻串联，另一条支路是0.11 Ω电阻。此时的总电阻为：

创新实验设计意图：电流表A2在电路中作用有:①运用“等效替代法”，当A2表上电流为3 A，A1表上电流为0.6 A时，此时A1表和镍铬合金丝并联后的共同作用效果与A2表相同；②串联A2表在电路中的目的是可以调节滑动变阻器使电路的电流为3 A,方便读数，在实验中起到对照作用。

2 电压表的“扩程”实验及其内部电阻分析

2.1 探究将电压表由3 V量程改装成15 V量程电压表“扩程”

实验器材：J1209型和J04004型直流电源各1台,DT-9205A型数字万用表1只，J0409型电压表2只，音响用电位器(0～200 kΩ)1只，滑动变阻器(50 Ω,10 A)1只，开关1只,导线若干根。

实验步骤：

(1)如图4所示,连接实物电路,将2个学生电源串联起来,旋转电压按钮，使2个电源输出电压值的和为15 V。电压表V1接“—”和“3 V”接线柱和电位器R器串联后，再与电压表V2的“15 V”接线柱并联，接上开关S，再使R器和R滑调至阻值最大处。

(2)接通电源，闭合开关S,滑动滑动变阻器，使V2表的示数为15 V，达到满偏，再调节电位器R器,直至V1表的示数为3 V，达到满偏，此时电位器R器分得电压U器=15 V-3 V=12 V。

(3)断开开关S,将数字万用表的旋钮开关旋转至电阻200 kΩ档位处，分别测出电压表的“—”和“3 V”两接线柱的电阻为R1=2.93 kΩ，再测出此时电位器的阻值R器=11.69 kΩ,在误差允许的范围内，从图5中测量的数据中看出：R2=R1+R器。

2.2 电压表的内部电路组成及阻值分析

如图6所示，图6(a)为J0409型电压表的接线柱间标识电路图，图6(b)为其内部电路图。

(1)若将电流表“—”和“3 V”两接线柱接入电路中，小表头100 Ω和2.9 kΩ的2个电阻串联，此时的总电阻为:

R1=100 Ω+2.9 kΩ=3.0 kΩ

(2)若将电流表“—”和“15 V”两接线柱接入电路中，小表头100 Ω、2.9 kΩ和12 kΩ的3个电阻串联，此时的总电阻为:

R2=100 Ω+2.9 kΩ+12 kΩ=15 kΩ。

创新实验设计意图：电压表V2在电路中作用有:①运用“等效替代法”，当V2表上电压为15 V，V1表上电压为3 V时，此时V1表和电位器串联后的共同作用效果与V2表相同；②并联连接V2的目的是：通过调节滑动变阻器使并联电路部分的电压值为15 V,方便读数，起到对照实验作用。

3 理论推导电表改装的原理

现实生活中的各种量程的电流表和电压表的核心部件是灵敏电流计，由于灵敏电流计的量程只有300 μA左右，所以大量程的电表必须要经过改装，即“扩程”。下面，用理论推导方式分析电表的改装原理。

3.1 用灵敏电流计表头改装电流表

如图7所示，灵敏电流计的满偏电流Ig太小，直接用于测量会烧坏表头，为了扩大量程，必须给表头并联一个分流电阻R0，改装后的新表(电流表)参数如下：

其中，R0越小，扩大的倍数越大。

3.2 用灵敏电流计表头改装电压表

如图8所示，当“—”和“正接线柱A”接入电路时：

扩大的倍数为n：

则R1=(n-1)Rg

当“—”和“正接线柱B”接入电路时：

扩大的倍数为n：

则，R2=(n-1)Rg-R1。

4 结束语

针对初中学生思维水平较低，认知层次不高的现状和特点，只从理论层面上推导出电表内阻和电表改装问题，直接将结果交给学生是远远不够的。必须在教师的引导下，通过动手实验，拉长思维过程，降低思维难度，在动手操作的实验中让学生进行科学推理和科学论证，在体验中感悟科学知识的奥妙，实现在“做中学、学中悟、悟中用”，真正落实“重过程”教学，在过程中慢“悟”其中的道理。过程虽然较繁琐，收获的不只是纸面上的答案，关键是培养了学生创新思维和创新意识。