两例电表改装的教学

    邢海根 傅求宝

    

    

    

    摘要：为了提升初中生的物理核心素养，部分地区将电表改装问题搬上了中考试卷，在中考的导向下，大部分教师通过模型构建并从理论上加以推导，很难体验到改装的真实过程。本文介绍一种快速改装电表的实验方法，并引入简易数字化装备来检测改装后电表在分流或分压上是准确的，旨在培养学生的实际操作能力，提升学生的核心素养。

    关键词：电表改装? 简易数字化实验? 内阻

    近几年，部分地区中考物理试题多次出现“电表改装”类考题，由于内容抽象，所以多数教师应对策略是运用理论推导和计算。这样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。如何去设计实验，让学生真实地去体验呢？其实实验室直流电流表和电压表是最常见的电学仪表，也是学生使用频率最高的两种电学仪表，学生对这两种电表的量程、分度值、使用方法等都非常熟悉，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，并用数字化电表检测改装电表后在分流或分压上的准确性，学生在改装中感受成功的喜悦，同时又能加深学生对电表改装问题的理解。

    一、实验设计思路与意图

    将电流表的0.6 A挡作为“表头”，由0.6 A量程改为3 A量程电流表;将电压表的3 V量程作为“表头”，改为15 V伏的量程。小量程是大量程的1/5，本身就有“扩程”的改装成分，让学生知道，改装的目的是“扩程”，灵活运用“等效替代法”，用数字式万用表和数字式毫欧计测出电表的各挡位间电阻以及分流、分压各电阻器的电阻值，实验验证串联分压和并联分流原理，让学生顺利地实现了知识的内化。

    二、实验器材

    J1209型和J04004型学生直流电源各一台（量程为40 A），J0407型电流表两只，镍铬合金丝一根（阻值为1 Ω左右）。HPS2501A型毫欧计一只（测量范围0～2 Ω，分度值为1 mΩ），DT9205A型数字多用表一只，J0409型电压表两只，音响用电位器（0～200 kΩ）一只，滑动变阻器（50 Ω，5 A）1只，开关一只，带鳄鱼夹的导线若干根。

    三、电流表的“扩程”实验及数字化实验装备的引入

    （一）改装过程

    （1）将电流表的0.6 A的量程改成3 A量程的电流表的“扩程”实验。

    （2）图1是电流表“扩程”电路图，按电路图连接实物图，电流表A1接0.6 A量程接线柱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。

    （3）接通电源，闭合开关S，移动滑动变阻器使电流表A2的示数为3 A。

    （4）再移动与A1表并联的镍铬合金丝上鳄鱼夹的位置，使电流表A1的示数为0.6 A，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。

    （二）引入数字化实验装备检测改装后电表的可靠性

    （1）检测内阻大小

    断开开关S，拆下电流表A1和带鳄鱼夹镍铬合金丝，用毫欧计测出A1的“-”和“0.6 A”的两接线柱间电阻值，R1=1.146 Ω;再测出镍铬合金丝的电阻值，R丝=0.286 Ω。

    （2）分析改装电表的分流规律

    由并联电路特点得：U1=U丝得U1=I1R1=0.6 A×1.146 Ω=0.68 V，U丝=I丝R丝=2.4 A×0.286 Ω=0.68 V。不难得出：I1R1=I丝R丝，也就有：R丝=I1I丝R1，因此，实验符合并联电路中各支路中的电流与它们的电阻成反比例分配的分流规律。

    四、电压表的“扩程”实验及数字化实验装备的引入

    （一）改装过程

    （1）按如图3所示的电路图，连接实物电路，将两个学生电源串联起来，旋转电压按钮，使两个电源输出电压值和为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，移动滑动变阻器，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，此时电位器R器分得电压U器=15 V-3 V=12 V。

    （二）引入数字化显示装备，检测改装后电表可靠性

    （1）检测内阻大小

    断开开关S，将数字多用表的旋钮开关旋转至电阻200 kΩ档位处，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，再测出电压表的“-”和“15 V”两接线柱的电阻为14.75 kΩ。在误差允许的范围内，从测量的数据中看出：R2=R1+R器。

    （2）分析改装电表的分压规律

    分析数据：U器U1=R器R1=11.69 kΩ2.93 kΩ≈4，因此，符合串联分压原理：串联电路中各电阻上的电压与电阻值成正比例分配。

    五、教学反思

    关于电表的改装，学生往往忽略“表头”的内阻，导致改装后的电表与标准电表所测数据差距较大。部分教师提供改装电路图并给出“表头”的内阻，让学生计算出所配电阻值的大小，有时为了找到所配阻值的电阻，学生利用电阻丝来进行测量，浪费了很多时间和精力。而本文所采用的方法简单、省时、省力。引入简易数字化装备，可以检测改装后的电表内阻关系是否符合电流或电压的分配规律。实际上也可以引入电流与电压传感器，直接来验证改装后电表在实际测量时与电流或电压传感器的结果一致。初中学生的思维水平较低，认知层次不高，只从理论层面上推导出电表内阻和电表改装问题是远远不够的，必须在教师的引导下，通过动手实验，拉长思维过程，通过现象找到本质，在动手操作的實验中生成知识，实现在“做中学，学中悟”，落实“重过程”，教学在过程中慢“悟”其中的道理。学生通过改装与检测，收获的不只是纸面上的答案，关键是培养了创新思维和创新意识。因此，利用实验室现有的实验器材，捋清问题的物理原理来源，设计实验、建立模型，让学生亲自动手操作，并适时引入数字化装备或数字化实验来进行检测，生成第一手的经验，是探究的真过程，才能真正提升学生的物理核心素养。

    参考文献：

    [1]王春香，陈丽梅，陈佰树，等.自主设计电表改装实验的研究[J].高师理科学刊，2011，31（02）：99101.

    [2]於罗英.对电表改装、校准及其规律的探究[J].物理教学探讨，2008（11）：6062.

    [3]钱大庆，费宏.对磁电式电表内阻精确测定的研究[J].常州信息职业技术学院学报，2005（04）：4042.