時間:2023-07-30 10:09:59
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在電學的定律當中,歐姆定律是非常關鍵的一項,它貫穿于整個電學的始終。深入、系統和全面地理解歐姆定律是有效解決牽涉電學問題的基礎和前提條件,針對歐姆定律的教學,教師需要做好如下的兩個方面:
“導體當中的電流,跟導體兩端的電壓成正比,跟導體的電阻成反比”,這就是歐姆定律。在此,教師應當引導學生注重三個物理量之間的關系。(1)歐姆定律強調電壓與電阻決定了導體當中的電流,而不是由電源提供的電壓,這跟電阻和電流是毫無關系的,電阻屬于導體自身的性質,這跟電壓和電流也是毫無關系的,因此是電壓與電阻一起決定了電流。(2)注重計算關系。在公式:I= 當中,只要確定了任意的兩個物理量,就可以對另外的一個物理量進行計算,這就需要引導學生熟練地掌握公式的變化。(3)注重這三個物理量一定要根據同一段的導體,比如,將R1與R2進行串聯,接在30 V的電源上面,R1是10歐姆,經過R1的電流是0.2安,問R2的電阻與R2兩端的電壓是多少。教師在指導學生練習或者是講解的時候,需要將電路圖畫出來,注明相應的物理量,突出需要注意的問題,以實現理想的教學效果。
二、拓展和應用歐姆定律
教師在講解歐姆定律的時候,需要引導學生注重知識的應用和拓展。通過并、串聯電路的電壓和電流規律,對電阻規律進行推導,可以概括并聯電路的規律是:(1)電流I=I1+I2;(2)電壓U=U1=U2;(3)電阻 。可以概括串聯電路的規律是:(1)電流I=I1=I2;(2)電壓U=U1+U2;(3)電阻R=R1+R2,再應用電阻規律對一些實際問題進行解決。比如,教師在教學的過程中,可以提問學生下面的一些問題:為什么調節臺燈的亮度按鈕,燈泡能夠變亮或者是變暗?為什么手電筒當中的電池使用時間長了之后,燈泡會變暗?這兩個問題的原理是一樣的嗎?這樣,學生就能夠積極主動地探討,紛紛發表自己的看法,課堂氛圍頓時活躍起來。學生通過應用歐姆定律,對實際生活當中一些不好理解的問題進行了解釋,從而調動了學生的學習興趣。
總之,在初中物理教學當中,歐姆定律是非常重要的。教師一定要引起高度的重視,實施有效的教學策略,教授學生關于歐姆定律的知識。
歐姆定律(初中學習的是部分電路歐姆定律)作為一個重要的物理規律,反映了電流、電壓、電阻這三個重要的電學量之間的關系,是電學中最基本的定律,是分析解決電路問題的金鑰匙。
歐姆定律這節課的特點是,十分重視科學方法教育,重視科學研究的過程。讓學生在認知過程中體驗方法、學習方法,了解得出歐姆定律的過程。了解運用“控制變量法”研究多個變量關系的實驗方法,同時也為進一步學習電學知識打下了基礎。
教材安排是通過實驗探究來研究電流與電壓電阻關系,從而得出歐姆定律。這樣安排比較好,但實際學生動手參與率不高,學生的科學探究有效性不高,有點照本宣科,對歐姆定律不能真正實現探究的思想。究其原因有三點:
1.本實驗是用歐姆定律來研究歐姆定律由于學生還沒學習歐姆定律很難理解為什么調節滑片的位置就能改變或保持這段電路兩端的電壓。
2.學生很難正確區分一段電路和整個電路兩個概念及它們之間的關系,在本實驗中研究AB這段電路中的電流與電壓和電阻的關系時不容易將這段從整個電路中分離出來,更不會分析探究它們之間的關系。
3.在一個電路圖中卻要分次研究兩個實驗規律先研究電流與電壓的關系,后又更換電阻,研究電流與電阻的關系,學生很難理解,更別說自己設計這個電路來探究其中規律了。
以上是學生探究實驗和分析實驗電路的障礙,如何來解決呢?
在教學中筆者對實驗教學做了適當的改變。讓學生自己分兩步實驗來設計電路探究規律:先激疑,后激智,引出正確的電路設計,再完成正確的實驗操作。
第一步,研究電流與電壓的關系,他們的設計是:保持電阻不變,用改變電池節數來改變電池兩端的電壓。(因為學生很容易想到串聯電池越多電壓越大),于是我說,那你們就按你們的思路去探究,結果是能得出:電阻一定時,電壓越大,電流越大,卻得不出:電阻一定時,電流與電壓成正比的關系。此時,他們反問:問題出在哪呢?我接著反問:你們怎么知道定值電阻兩端的電壓是在成倍數的變化呢?學生馬上回答,因為電池是成倍的增加啊,我說,那你們用電壓表測測看,一測發現電壓并沒隨電池節數的成倍增加而成倍增大,學生反問:那怎么辦?有學生很快想到上節課學到滑動變阻器可以調節電壓,立即就串聯了滑動變阻器上去,結果,水到渠成,完成了該實驗,而且不用改變電池節數。現在再反問學生這兩種電路設計的區別在哪,問題在哪,優勢在哪,這時老師點撥一下:因為導線也有電阻,學生就會豁然開朗,會心一笑,經過一次挫折他們重新設計出探究電流與電壓關系的電路,同時也自行將這段電路從整個電路中分離出來,研究出這段電路中電流與電壓的關系:電阻一定時,電流與電壓成正比的關系。
第二步,研究電流與電阻的關系,起初他們的設計是:保持電池節數不變,再改變電阻。(因為學生很容易想到串聯電池節數不變,電壓也不變),很快,有些學生就想到在第一步中出現的問題,于是想到可以用滑動變阻器控制電壓不變,只要在原來的電路圖上改變電阻就行了,并想到如用電阻箱來改變就更好了,因為不僅改變方便,能多次成倍數改變電阻,并且能知道電阻的值,這樣也更方便找到電流與電阻的更具體的關系。
這樣分兩個實驗電路圖分別設計,分別實驗,避免了照搬照抄,死記硬背的教學模式,實驗從開始設計到實驗障礙,再到改進實驗,總結規律,都是學生親身實踐,學生真正理解了:
1.兩步實驗中為何要用滑動變阻器,如何用滑動變阻器?
在研究電流與電壓的關系時,如果不用滑動變阻器,雖然能夠測量出R兩端的電壓和其中的電流,但該電路只能測量出一組電壓和電流的值,而從一組電流和電壓的數據是無法找出二者之間的關系的,應該再測幾組電壓和電流,因此就需要改變R兩端的電壓,用滑動變阻器可以成倍地改變R兩端的電壓,簡單方便,當然也可以采用改變電池節數的方法,但因為導線有電阻,很難成倍地改變R兩端的電壓,比較下來,當然是用滑動變阻器更方便快捷。同時,滑動變阻器還可以起到保護電路的作用。
2.用控制變量法探究電流I與電阻R之間的關系實驗中,應該如何操作?探究電流I與電壓U之間關系時,應該如何操作?
探究電流I與電阻R之間的關系時,如何保持電壓U不變?即改變定值電阻的阻值的同時,該電阻兩端的電壓就發生了變化,因此,要及時調節滑動變阻器以保持電壓不變,觀察并記錄電流表的示數隨電阻的變化關系。
探究電流I與電壓U之間關系時,要不斷的改變電壓,即保持定值電阻的阻值不變的同時,要改變電阻兩端的電壓,因此,要及時調節滑動變阻器使電壓成倍地變化,觀察并記錄電流表的示數隨電壓的變化關系。
總之,這樣改進充分發揮了實驗的作用,降低了教學環節中學生遇到問題的難度,調動了學生的學習興趣和積極性,更深入地理解和掌握了知識。既培養了思維能力,又培養了實驗能力,進一步實現了以教師為主導、學生為主體、思維為核心、能力為目標的教學理念,開闊了學生思路,有效地提高物理教學質量。
參考文獻:
良好的開端是成功的一半,引入作為一堂課的開始,是課堂教學環節中必不可少且至關重要的部分.這一環節設計的優劣直接影響到一節課的深入程度、學生進入學習的狀態、學生對本節課授課知識的興趣多少等.對于初中學生,注意力本就不容易集中,那么一個好的引入就是引起學生的學習興趣和帶領學生積極思考并真正進入課堂的關鍵.歐姆定律的教學一直以來都是一個難點,若僅僅是公式,學生在剛學的時候很容易記住,但是對于歐姆定律的來源以及探究的過程總是模糊的,就算教師在課堂上有過演示實驗,在部分學生看來都只是因為教材是這樣安排的.但其實不然,這個探究實驗正是歐姆定律得出的關鍵.可是學生理解不到位,可能是教學哪一步不夠確切.比如其中一個設計點就是引入這個探究實驗,在引入時創設情境,讓學生能夠回到當時歐姆在探究時的過程以及條件中,結合當時的條件可能做到的以及達到的情況,這樣的引入或許會讓學生感同身受,從而產生更加強烈的探究欲望,達到較好的教學效果.
1、 初中物理課堂引入
課堂引入是教學過程中最重要的環節之一,教學引入恰當,可以起到事半功倍的效果;作為課堂教學的第一步,是緊扣學生心弦,激發學生興趣最關鍵的一步.一方面,課堂引入具有先行組織者的作用,美國著名心理學家奧蘇貝爾從學習心理學的角度分析,“當人們在接觸一個完全不熟悉的知識領域時,從已知的包攝性較廣的整體知識中掌握分化的部分,比從已知的分化部分中掌握整體知識難度要低些.”比如在講解“靜摩擦力”這一節課時,由于前面學生已經掌握了摩擦力的相關知識,就可以將摩擦力作為先行組織者,將其作為上位概念,再將靜摩擦力直接提出,并聯系其與摩擦力之間的關系,學生很容易就理解了靜摩擦力的概念.另一方面,課堂引入容易吸引學生的興趣,集中學生的注意力,初中學生的注意力本就不容易集中,在剛上課的幾分鐘,學生可能還處在下課所經歷事情的愉悅之中,這個時候就需要教師找到一種吸引他們注意力的方法.注意力是保證學生上課的首要條件,而興趣又是影響學生注意力的關鍵,愛因斯坦也曾經說過,“興趣是最好的老師,它可以激發人的創造性、好奇心、求知欲.”所以,教師在教學引入環節中能否調動學生的學習興趣更為關鍵.
在初中物理課堂中教師常用的幾種引入方法:
(1)實驗引入法,物理作為一門實驗科學,實驗在教學中起著舉足輕重的作用,在引入時采用實驗的方式是中學物理教師常用的,運用一些有趣的小實驗,可以快速把學生吸引到課堂中來,教師既可以采用演示實驗的方法,也可以讓學生參與實驗過程.
(2)直觀導入法,直觀導入可以是視頻、圖片、實物等,某些物理現象不一定是發生在學生周圍,那就可以通過圖片或錄像的方式為學生展現物理現象或物理情境,這樣就顯得更加直觀,易激發學生的求知欲.
(3)討論引入法,一般就是選取日常生活中的某一事例,對學生進行提問或者大家一起來辯論,在這個過程中不僅導入了本堂課所要學習的知識材料,同時也讓學生積極地參與了這個過程,關鍵是借助生活中鮮明的例子學生更容易理解,更容易將注意力集中到課堂教學中來.
(4)問題激疑法,設置疑問是教師的一種有目的、有方向的思維導向.古人云:“不憤不啟,不悱不發”,教師在教學過程中要善于提出問題,有意激疑啟思,活躍思維,引導學生思考,在解決問題的過程中鍛煉學生各方面的能力,激發學生的求知欲,促進學生積極地學習.
(5)復習引入法,這是最便捷的引入方法,往往是在與新課聯系較為密切的時候使用,起著承上啟下的作用,不僅有利于學生對前面知識的鞏固,更能為新知識的學習做好鋪墊.例如在做液體壓強的復習題時,引出浮力的知識,浮力其實就是物體在液體中受到上下的壓力差而產生的,學生聯系前面知識能夠快速地理解浮力產生的原因而不會感覺到陌生.
(6)故事引入法,一般的故事引入都是直接引用物理學家們的故事,用榜樣的力量去感染學生,喚起他們的探索熱情,通過了解前輩們的物理思想、實驗方法和探索精神,能夠激發學生的興趣,提高課堂教學的效果,提升學生素養[2].比如在講解牛頓第一定律時,先給學生介紹牛頓這個人的一生,學生會由于對牛頓這個人的崇拜而愿意對其所提出的相關知識進行了解.
(7)游戲引入法,在正式上課前讓學生動手做一些簡單的小游戲,從而引入新課,利用游戲結果激發學生的學習興趣.比如在講解摩擦力這一內容的時候,可以讓學生進行拔河比賽,繩子是經過教師處理過的,所以一定會產生輸贏,學生心有不甘,因此就可能產生對答案的探索欲望,激發他們的學習興趣.
2 、歐姆定律教學引入文獻分析
歐姆定律是整個初中電學的重難點之一,教師在設計的時候往往需要考慮接收者的認知情況以及他們的階段性特點等等,首當其沖考慮的便是引入部分.以下是大部分教師在歐姆定律教學設計中常用的幾種引入方式.
(1)復習引入
學生在接觸歐姆定律之前已經掌握了電流、電壓、電阻3個物理概念,有的教師則是充分的利用學生已經有的舊知識,引導學生探討電流、電壓、電阻之間存在的關系,自然而然的導入本節課的課題.
(2)實際問題引入
在物理教學中,教師不只是讓學生掌握教材知識,更重要的是引導他們運用物理知識來解決實際問題,學生只有把書本中的知識運用到生活中,才能適應社會發展的需要.有的教師會由生活當中電流受電壓、電阻變化的電路來進行提問(比如收音機的音量大小是由什么來進行控制的),然后引發學生進行思考.
(3)創設情境,導入新課
初中的學生最希望得到教師的認可,對于教師提出的問題一定會爭先搶答,有的教師就會抓住學生的這一特點,設置與本節課相關的問題讓學生來搶答.設置如下兩個問題:實驗中當電壓一定的時候,電流隨電阻的變化情況;當電阻一定的時候,電流隨電壓的變化情況.根據學生的回答情況,教師進一步提出,電流、電壓、電阻之間是否存在某一數值關系,教師逐步引導學生進行猜想,進而探究三者的關系得出歐姆定律.
(4)通過實驗引入主題
實驗的創設是根據電流在電路中會受到哪些因素的影響而發生變化,有的教師會根據學生已經掌握的知識事先設計電路圖,然后改變其中的電阻看電路中電流的變化情況,實驗現象與學生前面所了解的不一致,通過繼續進行實驗對比解釋才知道電流在電路中同時還會受到電壓的影響,接下來就順理成章地引入對電流與電壓、電流與電阻關系的判斷.
(5)由物理學史引入
新課標中三維目標中的情感態度與價值觀明確規定,要求學生掌握物理學史,學習前人的科學態度與精神.有的教師會通過介紹歐姆這個人,讓學生對其有一定的了解,再提出歐姆的杰出貢獻---歐姆定律.
3、 總結
通過對歐姆定律教學設計的相關文獻進行分析發現,在大部分文獻中采用的都是慣用的物理引入法,而其中占比最大的就是實驗引入法,由于在前面學生已經學習過電流、電阻、電壓等,教師在這里就可以鼓勵學生進行三者之間關系的探究實驗.電壓和電阻的影響因素,前面的定義已經說得比較清楚了,因此,現在最為疑惑的就是電流的影響因素,然后運用控制變量法分別探究電流與電壓以及電流與電阻之間的關系,從而得出歐姆定律的表達式.這種方式學生比較容易接受,同時也會感興趣.通過這個過程學生不僅能夠學到物理知識,還能在這個過程中經歷實驗探究的步驟,從而加強實驗探究的意識,與初中物理課程所倡導的培養學生的科學探究能力是符合的,因此,實驗探究法引入歐姆定律總是作為歐姆定律教學引入的首選.
初中物理課程標準中明確指出要注重對學生情感態度與價值觀的培養,但是情感態度與價值觀的培養不是通過一節課就能夠體現出來的,需要教師不斷地進行潛移默化的影響,而在物理學里面最好的方式在筆者看來就是物理學史的滲入.物理學史具有問題情境性、目標指向性、運用靈活性等特點,物理學家們的物理思想、實驗方法和探索精神等不僅能激發學生的學習興趣、啟發學生,還能夠提高課堂的教學效果并且提升學生的素養[1].但是通過對文獻的分析筆者發現在已有的教學設計當中,很多教師就是對歐姆的一生進行簡要的介紹之后就直接提出本堂課我們要做的就是對歐姆的實驗進行驗證,學生或許會深刻地記住歐姆這個人,這樣的引入也對學生的情感態度與價值觀有所滲透,但是,學生的主動性就沒有那么的明顯,筆者曾經也用過這樣的方式進行引入,得到的結果沒有顯著的不同,因此,筆者又設計了另外一種方式的物理學史引入.
由于學生前面已經學習了電流的知識,教師可以提問學生:(1)電流產生的原因是什么?(2)前面已經學習了電流,對于電流是否存在和其大小我們可以用什么來進行測量?電壓是形成電流的原因,初二上學期就已經學過熱量之間的傳遞,有溫度差的兩個熱源之間是可以直接進行熱量的傳遞,歐姆認為電流也應該具有和熱傳遞相似的性質,既然熱是受到溫度差的驅動,那電流也應該受到某種驅動力而且應該是正比的關系,現在我們知道這個驅動力其實就是電壓;對于電流的測量學生知道用電流表,接下來教師就可以對歐姆定律的發現歷程進行介紹.當電流被發現后的很長一段時間電流表才出現,在電流表出現之前,能夠檢測電流的是一種叫檢流計(原理就是電流的磁效應)的儀器,現在又一個問題了,只有檢流計也沒有辦法去得知電流的大小.歐姆這個人最明顯的特征就是善于思考,“既然檢流計可以測量電流是否存在,在此基礎上繼續研究是否可以得到電流大小.”前人已經發明了靜電計可用來測靜電力(這是我們后面即將學到的)——庫侖定律(靜電力與距離的平方成反比),他就根據檢流計的原理以及測靜電力的扭秤相結合,制成了電流扭力秤,結構很簡單,就是一個小磁針和一根直導線,當直導線通上電流之后,電流產生的磁場就會影響小磁針轉過一定的夾角,并且發現扭轉角度與電流強度成正比,通過角度還可以得出電流的大小.那么如果現在學生就有這樣一個電流扭力秤,除了用它可以得出電流的大小,那還可以對其充分利用,進行實驗的改造,在我們已有知識的基礎上.有的學生肯定會想到電阻的大小與金屬材料的關系,改變金屬材料看所得電流的變化,這樣又解決了電流與電阻之間的關系[3].這是在解決問題的過程中發現了電流、電壓、電阻之間的關系,愛因斯坦曾經說過“提出一個問題往往比解決一個問題更加重要,提出新的問題,新的可能性,從新的角度去看待問題,卻需要創造性的想象力,而且標志著科學的真正進步.”歐姆就是在不斷發現問題的過程中得出了歐姆定律,這整個教學過程看上去沒有物理知識,很多教師可能會覺得浪費時間再加上還有的是學生還沒有學過的知識,其實不然,學生的接受能力遠遠比我們想象的要多,這樣的介紹讓學生明白歐姆定律其實就是一個電流的探究過程,其實是在這個過程中不斷地創新思考,不斷地提出新的問題,最后得出三者之間的關系I=UR.為了加強學生的理解,筆者建議這個引入過程可以將PPT、教師的描述、板書結合起來使用,效果可能會更好.
參考文獻
初中物理電學相關公式和定理雖然表面看比較抽象難懂,但是因為電流是實際存在的,并且其特點和存在形式可以類比現實中許多形象易懂的實物和現象,因此結合實際對相關定理定律進行理解和記憶會收到很好的效果.
1.歐姆定律
歐姆定律解釋的是電學中電壓、電流、電阻三者之間的關系,是電學最基本的定律.
電流×電阻=電壓,即I×R=U;其他的變形式可以由此公式導出.
可以用水流演示電流,用水壓解釋電壓,以現實中形象的實物來解釋電學相關內容.
2.電功公式
電功公式是講電力做工的計算方法,電流流過導線會產熱,有能量產生,能量可以做功,電功公式就是計算電力做工能力的公式.
電流×電流×電阻×時間=電功,即I2Rt=P;
將I=UR代入,就能成為電功公式的另一形式.
3.電功率公式
電功率就是形容電流做功快慢的公式.
電流×電流×電阻=電功率,即P=I2R.
電功和電功率可以用電燈發光發熱解釋,電流越大,電燈越亮,時間越長,電燈散失的熱量越多,就是電流做功的道理.
二、物理電學題目解題技巧
1.歐姆定律方程解題
熟記歐姆定律,只要是給出電路解電學未知量并且題目中沒有涉及功率內容的題目,結合整個電路列出歐姆定律的基本方程,肯定可以得到答案,即使最初看題時沒有頭緒,在列出歐姆定律方程之后也能從方程中看出解題方法.靜態電路圖列寫一個歐姆定律方程,動態電路圖根據變化次數列出相應數目的歐姆定律方程即可.
例電路圖如圖1所示,閉合開關S,當滑動變阻器滑片在R2上某兩點之間來回滑動時,電流表的讀數變化范圍是2 A~5 A,電壓表的讀數變化范圍是5 V~8 V,問電源電壓及電阻R1的值分別是多少?
乍一看此題確實無從下手,但是可以看出這是一個動態電路題,隨著滑動變阻器阻值的不同電路相關參量產生了變化,因此需要列兩個歐姆定律方程,方程列出,題目便迎刃而解.
解根據題意列歐姆定律方程,首先滑動變阻器在題意中阻值最小時,電流最大為5 A,電壓表度示數最小為5 V,此時滑動變阻器電阻值為5 V÷5 A=1 Ω.
可以列出一個方程:
U÷(R1+1)=5 A(1)
同理,滑動變阻器阻值最大時為8 V÷2 A=4 Ω.
列另一個歐姆定律方程
U÷(R1+4)=2 A(2)
用簡單的解方程法解方程(1)和(2),很容易得出結果U=10 V;R1=1 Ω.
2.等效電路解含功率動態題
解含有功率內容的動態題的一個很好的方法就是將其各種狀態獨立出來,簡化成等效電路,每種狀態單獨分析,之后綜合考慮并求解.
例如圖2所示,R2與R3的電阻比為R2∶R3=1∶4,最初所有開關處于斷開狀態,同時閉合S1與S2,S3保持斷開,電流表示數為0.3 A,R2消耗功率P2;之后閉合S1、S3,S2斷開,R1消耗功率為0.4 W,R3消耗功率為P3,P2∶P3=9∶4,求電源電壓和R1阻值.
雖然此題表面看是動態且較為復雜,但是將動態電路的兩個狀態拆分成靜態簡單電路,題目便會簡單明了,之后列寫歐姆定律和功率方程,解方程即可.
當閉合S2后電路可簡化成如圖3形式,可列方程如下:
(R1+R2)×0.3=U(1)
R2×0.3×0.3=P2(2)
打開S2閉合S3后電路變成圖4,設此時電流為I3,結合等量關系R3=4R2,將R3用R2代替,后列方程
(R1+4R2)×I3=U(3)
R1×I3×I3=0.4(4)
4R2×I3×I3=49P2(5)
《初中物理新課程標準》將科學探究納入了物理教學的內容,旨在將學生學習的重心從過去的過于強調知識的傳承和積累向知識的探究過程轉化。
所謂“實驗探究教學模式”,是指學生在教師的引導下,運用已有的知識和技能,充當新知識的探索者和發現者的角色的學習模式。
筆者多年從事初三物理教學,結合新課改要求,在《歐姆定律》探究教學中進行了嘗試,現談談自己的實踐和體會。
一、在探究過程中,著重應用控制變量法
控制變量法是指決定某一物理量的因素有很多。為了弄清這個量與這些因素之間的關系,往往先控制住其他幾個因素不變,集中研究其中一個因素變化所產生的影響,然后通過比較歸納出與這些量之間的關系。
歐姆定律揭示了電流、電壓、電阻三個物理量之間的關系,由于電流大小與電壓、電阻都有關系,因此探究步驟中的設計實驗應盡量引導學生分為兩步設計。
1.保持電阻不變,研究電流跟電壓的關系。
要讓學生明確“研究電流跟電壓的關系時,應保持電阻不變”,設計實驗電路時應考慮:①怎樣測量定值電阻兩端的電壓U和定值電阻中的電流I呢?②怎樣保持導體的電阻R不變呢?③通過什么方法改變定值電阻兩端的電壓U呢?
設計并連接電路利用滑動變阻器改變定值電阻兩端的電壓,使它成整數倍地增加,并記錄所對應的電流值,
2.保持電壓不變,研究電流跟電阻的關系。
要讓學生明確“研究電流跟電阻的關系時,應保持電壓不變”,實驗探究時應考慮:①怎樣改變導體電阻R的大小?②怎樣保持導體兩端的電壓U不變呢?讓學生討論交流,使學生認識到:當定值電阻的大小發生變化時,可通過滑動變阻器控制其兩端的電壓U保持不變。
更換定值電阻,利用滑動變阻器保持定值電阻兩端的電壓不變,記錄對應的電流值,在具體的探究教學中可能會遇到這樣的問題:在電阻R阻值改變時,電阻R兩端的電壓也發生變化,如何移動滑動變阻器的滑片,使電阻R兩端的電壓恢復到原來的電壓值。這也是把控制變量法從理論升華到實際的一個方面。
二、在探究過程中,讓學生親身體驗,增強課堂教學效果
學生是教學活動的主體,教師對思維活動過程的展開,不能代替學生自己的思維活動。因此,在設計本節探究活動時筆者以學生為中心,進行分組實驗。激發學生的求知欲和參與意識,使不同層次學生的認知結構、個性品質在參與中都得到發展。設計學生活動程序如下:
(1)提出問題:電流與電壓,電流與電阻的關系?
(2)作出假設:①不成比例。②成正比。③成反比。
(3)設計并進行實驗:①設計電路圖。②設計步驟。③進行實驗。
(4)分析數據得出結論。
這樣做有以下好處:第一,可以充分調動學生的積極性。對于初中學生來說,他們已不再局限于看老師演示實驗,都喜歡自己動手操作,通過自己的實踐解決問題。第二,可以清楚地發現并指出學生的操作中的錯誤,物理實驗中一些儀器的使用,要求學生掌握,培養學生正確而良好的操作技能。但是,在實踐過程中,筆者認為學生的練習機會實在太少,有些儀器的使用方法盡管學生課上聽懂了,但真正操作起來并不如想象的那樣簡單順手。就像本節中的電流表、電壓表的使用,學生往往會把電表的串并連搞錯,把正負接線柱接錯等,滑動變阻器的使用也不夠到位。第三,可以鞏固學生對相應知識的掌握情況。對于人的記憶方式來說,自己動手操作過的情景記憶起來要比單純的聆聽接受記憶要牢固得多。
三、在探究過程中,引導學生反思應用遷移
這一方法要求把已知遷移到未知、把此一類知識遷移到另一類知識中,使學生受到相互滲透、影響和轉化的觀點的教育。例如,啟發學生把已有的知識遷移到歐姆定律的探究中,把歐姆定律的知識遷移到其他知識的學習中。這樣就使學生不僅提高了知識學習的效率,而且逐漸樹立普遍聯系、轉化的觀點。
例如:在總結歐姆定律的公式(I=U/R)時,可以壓強的公式為母本,壓強的公式是P=F/S,它的理解可以是:當受力面積一定時,壓強與壓力成正比;當壓力一定時,壓強與受力面積成反比。而歐姆定律是:通過導體的電流,與導體兩端的電壓成正比,與導體的電阻成反比。兩者是可以相互遷移的,所以很順利地得出歐姆定律的公式I=U/R。這對于知識和思維不是很完善的初中學生來說,可以很容易地掌握知識,得出結論。
當然在歐姆定律的探究教學中還有很多地方可以運用知識遷移,例如:在運用探究的基本過程解決電流、電壓、電阻三者關系時,可以反思以往用探究的方法解決過的問題,如液體壓強、深度、液體密度三者的關系,用以往的經驗為本次探究的順利完成做鋪墊。
四、在探究過程中,利用教材對學生進行德育教育
德育是五育之首,新課程標準關注人的發展,把德育放在十分重要的地位。作為基礎學科的物理理所當然承擔著重要的德育任務。
在《歐姆定律》探究教學中,筆者首先做了大量的準備工作,這樣學生不僅學得很愉快,而且在心里會產生一種對教師的敬佩之情,并從老師身上體會到一種責任感,這對以后的學習工作都有巨大的幫助作用。其次,在教學過程中,利用分組實驗的合作性學習潛移默化地對學生進行德育教育,培養他們團結協作的精神。最后,利用歐姆的事跡和成果激發學生的學習熱情,樹立崇高理想,榜樣的力量是無窮的,它對學生具有強大的感染力和說服力。
教育部頒布的《物理課程標準》首先提出科學探究,其次才是科學內容,它把科學探究作為很重要很有價值的學習方法和教學方法提出來,說明越來越多的教育者注意到探究教學在教改中的重要地位。《歐姆定律》一課的探究教學不僅要求教師有較高自身的修養素質,還要做好在探究教學中與學生一起雙向地、互動地建構學科知識、促進能力發展。因此,在初中物理新課標下如何更好地開展探究教學,值得我們探討。
關鍵詞:是對物理規律的一種表達形式。通過大量的觀察、實驗歸納而成的結論。反映物理現象在一定條件下發生變化過程的必然關系。物理定律的教學應注意:首先要明確、掌握有關物理概念,再通過實驗歸納出結論,或在實驗的基礎上進行邏輯推理(如牛頓第一定律)。有些物理量的定義式與定律的表式相同,就必須加以區別(如電阻的定義式與歐姆定律的表式可具有同一形式R=U/I),且要弄清相關的物理定律之間的關系,還要明確定律的適用條件和范圍。
(1)牛頓第一定律采用邊講、邊討論、邊實驗的教法,回顧“運動和力”的歷史。消除學生對力的作用效果的錯誤認識;培養學生科學研究的一種方法——理想實驗加外推法。教學時應明確:牛頓第一定律所描述的是一種理想化的狀態,不能簡單地按字面意義用實驗直接加以驗證。但大量客觀事實證實了它的正確性。第一定律確定了力的涵義,引入了慣性的概念,是研究整個力學的出發點,不能把它當作第二定律的特例;慣性質量不是狀態量,也不是過程量,更不是一種力。慣性是物體的屬性,不因物體的運動狀態和運動過程而改變。在應用牛頓第一定律解決實際問題時,應使學生理解和使用常用的措詞:“物體因慣性要保持原來的運動狀態,所以……”。教師還應該明確,牛頓第一定律相對于慣性系才成立。地球不是精確的慣性系,但當我們在一段較短的時間內研究力學問題時,常常可以把地球看成近似程度相當好的慣性系。
(2)牛頓第二定律在第一定律的基礎上,從物體在外力作用下,它的加速度跟外力與本身的質量存在什么關系引入課題。然后用控制變量的實驗方法歸納出物體在單個力作用下的牛頓第二定律。再用推理分析法把結論推廣為一般的表達:物體的加速度跟所受外力的合力成正比,跟物體的質量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。教學時還應請注意:公式F=Kma中,比例系數K不是在任何情況下都等于1;a隨F改變存在著瞬時關系;牛頓第二定律與第一定律、第三定律的關系,以及與運動學、動量、功和能等知識的聯系。教師應明確牛頓定律的適用范圍。
(3)萬有引力定律教學時應注意:①要充分利用牛頓總結萬有引力定律的過程,卡文迪許測定萬有引力恒量的實驗,海王星、冥王星的發現等物理學史料,對學生進行科學方法的教育。②要強調萬有引力跟質點間的距離的平方成反比(平方反比定律),減少學生在解題中漏平方的錯誤。③明確是萬有引力基本的、簡單的表式,只適用于計算質點的萬有引力。萬有引力定律是自然界最普遍的定律之一。但在天文研究上,也發現了它的局限性。
(4)機械能守恒定律這個定律一般不用實驗總結出來,因為實驗誤差太大。實驗可作為驗證。一般是根據功能原理,在外力和非保守內力都不作功或所作的總功為零的條件下推導出來。高中教材是用實例總結出來再加以推廣。若不同形式的機械能之間不發生相互轉化,就沒有守恒問題。機械能守恒定律表式中各項都是狀態量,用它來解決問題時,就可以不涉及狀態變化的復雜過程(過程量被消去),使問題大大地簡化。要特別注意定律的適用條件(只有系統內部的重力和彈力做功)。這個定律不適用的問題,可以利用動能定理或功能原理解決。
2、從教材結構看,教材采用傳統的處理方法:先利用能量守恒導出閉合電路的歐姆定律,進而得出路端電壓隨著外電阻變化的規律。這樣的程序,數學演繹推理的味道很濃,加之沒有令人信服的實驗,缺少了對物理規律的感性認識的過程,學生難以形成比較深刻的理解。
二、學情分析
1、從學生的認識結構和能力水平來看,學生不知道電源的內阻對閉合電路的影響,因此,常常把路端電壓看成是不隨外電路變化的。這種先入為主的錯誤觀念,容易形成思維定勢,僅通過幾次講解是難以逆轉的。
2、學生已學習了電動勢、內電阻、外電阻等概念,知道部分電路的歐姆定律。
三、教學目標
1、基礎知識技能方面:
(1)導出閉合電路的歐姆定律
(2)研究路端電壓的變化規律,掌握閉合電路中的
(3)學會運用閉合電路的歐姆定律解決簡單電路的問題,知道閉合電路中能量的轉化。
2、能力方面:
(1)通過實驗,讓學生積極主動的探求科學結論,成為知識的探索者和“發現者”,在獲得知識的同時發展能力。
(2)通過分組隨堂實驗,培養學生利用實驗研究,得出結論的探究物理規律的科學思路和方法,加強對學生科學素質的培養。
(3)通過利用閉合電路歐姆定律解決一些簡單的實際問題,培養學生運用物理知識解決實際問題的能力。
3、思想及情感方面:
A.通過外電阻改變引起電流、電壓的變化,樹立學生“事物普遍聯系”的觀點。
B.通過分析外電壓變化的原因,了解內因與外因關系。
C.通過短路電流的模擬實驗,加強學生的安全用電意識。
D.通過先猜想再驗證的教學模式,培養學生“大膽猜想,小心求證”的科學研究態度以及合作實驗的意識。
四、重點難點
1.重點:閉合電路的歐姆定律的導出
2.難點:路端電壓的變化規律,
應用閉合電路的歐姆定律解決簡單的實際問題
五、突破重難點的教學設計思想
1、營造能引起學生認知沖突的問題情景
設計一個如圖1所示的電路,讓學生先猜測再觀察實
驗現象。(小燈接電動勢為3v電源時較亮)讓學生產生強烈的認知沖突,激發了他們的探求新知的動機,為突破重難點提供了良好的開端。
2、讓學生積極主動地去歸納物理規律、構建自己的正確理解
教師演示實驗, 讓學生在實驗數據中探索出“新”的物理規律,使學生在探研過程中分析、歸納、推理的能力得到提高,同時也突破了教學難點。
六、課前準備
【教學用具】
自制演示實驗電路板、干電池、安培表、伏特表、滑動變阻器、電鍵、導線、課件等。
七、教學過程
(一)創設情景引入新課
演示實驗一:電源電動勢增大時小燈泡的亮度變化
教師出示電路板,小燈泡與兩節干電池串聯,閉合開關,小燈泡發光。在原電源的基礎上,再串上4節干電池,讓學生猜想:閉合開關后,小燈泡可能會發生什么現象?
教師演示:發現小燈泡變暗了。
留下疑問:是什么原因導致小燈泡沒有變得更亮,也沒有燒壞,而是變暗了呢?
(二)新課教學
1、閉合電路的歐姆定律的推導
設問:我們已經學習了電動勢,知道電動勢是反映電源將其他形式的能量轉化為電能本領的物理量,在數值上等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓,那如果電源接入了電路,電動勢與內電壓、外電壓之間又有怎樣的關系呢?
演示實驗二:E與U內、U外的關系
教師向學生介紹可變內阻電源裝置。讓同學們仔細觀察兩個電表的讀數并記錄五組數據。教師邊演示邊讓學生記錄數據。
2、路端電壓與負載的關系
探究活動二:路端電壓與負載的關系
老師引導學生設計電路圖。讓學生分組實驗探究路端電壓與負載的關系,注意短路、斷路兩種特例的分析,記錄實驗現象。
演示實驗三:低壓電源短路
電路短路時,電路當中的電流非常大,會造成很嚴重的后果,生活中一定要避免短路的發生。教師演示模擬電源短路的小實驗(為了安全起見,只用10V的學生電源),加強學生安全用電意識。
教師:通過實驗我們研究了路端電壓和負載的關系,在實驗過程中我們發現當外電阻變化時,電流會變,路端電壓也會變,那路端電壓和電流之間會不會有直接的關系呢?
探究活動三:路端電壓與電流的關系(推理法與圖象法相結合)
引導學生利用閉合電路的歐姆定律推導路端電壓與電流關系的數學表達式:教師:大家利用所學的數學知識推斷一下:若以電流為自變量,路端電壓為因變量,那么
函數圖象應該是怎樣的?
教師利用幻燈片展示一張U-I圖像,讓學生觀察這張圖像,思考直線與Y軸、X軸的交點分別代表什么物理意義,引導學生深刻理解圖像。
探究活動四:閉合電路中的功率關系
教師:引導學生推導得到有關功率的相關結論:
教師:學習了有關閉合電路的歐姆定律相關的知識后,我們一起來看看在剛上課時所留下疑問:電源電動勢由3V變成9V,為什么小燈泡會變暗呢?
學生自己分析,推測小燈泡變暗的原因。
演示實驗四:多個小燈泡并聯時的亮度變化
例題:當開關逐漸閉合時,小燈泡的亮度會發生怎樣的變化,電壓表的讀數呢?
歐姆定律是高中物理電學部分的核心內容,也是高考的重難點內容,同時歐姆定律掌握的好壞會直接影響我們的考試成績,因此要多用時間將這塊知識進行鞏固,以取得更高的分數。
1在歐姆定律的學習中常遇到的問題
1.1歐姆定律的使用范圍問題
在電路的實驗過程中,我會出現忽略導線,電子元件與電源自身的電阻,將整個電路視為純電阻電路的問題。而歐姆定律通常只適用于導電金屬和導電液體,對于氣體、半導體、超導體等特殊電路元器件不適用,但我們知道,白熾燈泡的燈絲是金屬材料鎢制成的,也就是說線性材料鎢制成的燈絲應是線性元件,但實踐告訴我們燈絲顯然不是線性元件,因此這里的表述就不正確,本人為了弄清這里的問題,向老師進行了請教并查閱了相關資料,許多資料上說歐姆定律的應用有“同時性”與“歐姆定律不適用于非線性元件,但對于各狀態下是適合的”。但我自身總覺得這樣的解釋難以接受,有牽強之意,即個人理解為既然各個狀態下都是適合的,那就是適合整個過程。
1.2線性元件的存在問題
通過物理學習我們會發現材料的電阻率ρ會隨其它因素的變化而變化(如溫度),從而導致導體的電阻實際上不可能是穩定不變的,也就是說理想的線性元件并不存在。而在實際問題中,當通電導體的電阻隨工作條件變化很小時,可以近似看作線性元件,但這也是在電壓變化范圍較小的情況下才成立,例如常用的炭膜定值電阻,其額定電流一般較小,功率變化范圍較小。
1.3電流,電壓與電阻使用的問題
電流、電壓、電阻的概念及單位,電流表、電壓表、滑動變阻器的使用,是最基礎的概念,也是我最容易混淆的內容。電流表測量電流、電壓表測量電壓、變阻器調節電路中的電流,而電流、電壓、電阻的概念是基本的電學測量儀器,另外,歐姆定律只是用來研究電路內部系統,不包括電源內部的電阻、電流等,在學習歐姆定律的過程中,電流表、電壓表、導線等電子元器件的影響常常是不考慮在內的,而對于歐姆定律的公式I=UR,I、U、R這三個物理量,則要求必須是在同一電路系統中,且是同一時刻的數值。
2歐姆定律學習中需要掌握的內容
本人在基于電學的基礎之上,通過對歐姆定律的解題方式進行分析,個人認為我們需掌握以下內容:了解產生電流的條件;理解電流的概念和定義式I=q/t,并能進行相關的計算;熟練掌握歐姆定律的表達式I=U/R,明確歐姆定律的適用條件范圍,并能用歐姆定律解決相關的電路問題;知道什么是導體的伏安特性,什么是線性元件與非線性元件;知道電阻的定義和定義式R=U/I;能綜合運用歐姆定律分析、計算實際問題;需要進行實驗、設計實驗,能根據實驗分析、計算、統計物理規律,并能運用公式法和圖像法相結合的方法解決問題。
3歐姆定律的解題思路及技巧
3.1加深對歐姆定律內容的理解
在歐姆定律例題分析中,我們比較常見的問題是多個變量的問題,以我自身為例,由于物理理解水平有限,且電壓、電流、電阻的概念比較抽象,所以學習難度較大,但我通過相關教學短片的學習,將電阻比喻成“阻礙電流通行的路障,電阻越大路越不好走,電阻越小通過速度則快”的方式,明白了電阻是導體自身的特有屬性,其大小是受溫度、導體的材料、長度等各方面因素影響的,與其兩端的電壓跟電流的大小無關,并且明白了電阻不會隨著電流或者電壓的大小改變而改變。同時我們每一個人都知道對于不同的習題,解決步驟都是不相同的,雖同一問題會有不同的解題方法,但總是離不開歐姆定律這個框架。因此對于一些與電學有關的知識,我一般會利用歐姆定律解決電生磁現象與電功率計算問題。例如:某人做驗時把兩盞電燈串聯起來,燈絲電阻分別為R1=30Ω,R2=24Ω,電流表的讀數為0.2A,那么加在R1和R2兩端的電壓各是多少?我可以根據兩燈串聯這一關建條件,與U=IR得出:U1=IR1=0.2A×30Ω=6V,U2=IR2=0.2A×24Ω=4.8V,故R1和R2兩端電壓分別為6V、4.8V的結論。
3.2利用電路圖進行進行計算
在解有關歐姆定律的題時,以前直接把不同導體上的電流、電壓和電阻代入表達式I=U/R及導出式U=IR和R=U/I進行計算,并把同一導體不同時刻、不同情況下的電流、電壓和電阻都代入歐姆定律的表達式及導出式進行計算,因此經常混淆,不便于分析問題。通過后期老師給予我的建議,在解題前我都會先根據題意畫出電路圖,并在圖上標明已知量、數值和未知量的符號,明確需分析的是哪一部分電路,這部分電路的連接方式是串聯還是并聯,以抓住電流、電壓、電阻在串聯、并聯電路中的特征進行解題。同時,我還會注意開關通斷引起電路結構的變化情況,并且回給“同一段電路”同一時刻的I、U、R加上同一種腳標,其中需注意單位的統一與電流表、電壓表在電路中的連接情況,以及滑動變阻器滑片移動時電流、電壓、電阻的變化情況。
3.3利用電阻進行知識拓展
本著從易到難的原則,我們可從一個電阻的問題進行計算,再擴展到兩個電阻、三個電阻,逐漸拓寬我們的思路,讓自己找到學習的目標以及方法。比如遇到當定值電阻接在電源兩端后電壓由U1變為U2,電路中的電流由I1增大到I2,這個定值電阻是多少的問題時,我們可利用歐姆定律的概念ΔU=ΔI?R得到電阻的值,而當難度增加由一個電阻變為兩個電阻時,定值電阻與滑動變阻器串聯在電壓恒定的電源兩端,電壓表V1的變化量為ΔU1,電壓表V2的變化量為ΔU2,電流表的示數為ΔI,在這樣的問題上可將變化的問題轉化為固定的關系之間的數值,就可簡化許多變量問題的計算。當變量變為三個電阻時難度會進一步的增大,我起初認為這是一項不可能完成的任務,所以放棄了這類題,而在經過詢問成績優秀的同學時,才知道可將三個電阻盡量化為兩個電阻,通過電壓表與電流表的位置將電阻進行合并,以此簡化題目。
4總結
簡言之,歐姆定律是物理教材中最為重要的電學定律之一,是電學內容的重要知識,也是我們學習電磁學最基礎的知識。當然,對于歐姆定律的學習與解題方法,自然不止以上所述方法,因而在具體的學習中,我們要立足于自身實際學習情況來進行方法的選取,突破重難點知識,以找到更好的解題思路。
參考文獻:
靜電場是電荷周圍存在的一種特殊形式的物質,電荷之間的相互作用是通過電場實現的。對電場的任何一點來說,放在這點的電荷所受的電場力跟它的電荷的比值,總是一個常量,可以用來表示電廠的強弱叫做這一點的電場強度。電場強度是矢量,它的方向規定為正電荷所受電場力方向。除了用電場強度來描述電場的強弱及方向外,電場線也用來形象表示電場強弱及方向。電場線是在電場中畫出的一系列從正電荷出發到負電荷終止的曲線,并且使曲線上每一點的切線方向都跟該點的電場強度方向一致;電場強度越大的地方,電場線越密,電場強度越小的地方,電場線越疏,沿著電場線的方向是電勢降落的方向。
在復雜電路的某一段電路或一個電路元件的分析與計算時,可事先假定一個電流的方向,這個假定的方向叫做電流的“參考方向”。我們規定:若電流的“參考方向”與實際方向相同,則電流值為正值,即I>0;若電流的“參考方向”與實際方向相反,則電流值為負值,即I<0。和分析電流一樣,有時很難對電路或元件中電壓的實際方向做出判斷,必須對電路或元件中兩點之間的電壓任意假定一個方向為 “參考方向”,在電路中一般用實線箭頭表示,箭頭所指的方向為參考方向。當電壓的“參考方向”與實際方向一致時,電壓值為正,即U>0;反之,當電壓的“參考方向”與實際方向相反時,電壓值為負,即U<0。電流與電壓有了參考方向后,電流與電壓就有了正負。
電流與電壓參考方向,在應用基爾霍夫定律解決復雜電路計算中,貫穿始終。
歐姆定律是分析與計算電路的基礎。如果電阻元件上的電壓與通過它的電流參考方向相同,歐姆定律可表示為U=IR,如果電阻元件上電壓的參考方向與電流的參考方向不同時,則歐姆定律可表示為U=-RI。除了歐姆定律,分析與計算電路還離不開基爾霍夫電流定律和電壓定律。基爾霍夫電流定律應用于節點,基爾霍夫電壓定律應用于回路。
基爾霍夫電流定律是用來確定連接在同一節點上的各個支路電流之間的關系的。由于電流的連續性,電路中任何一點(包括節點)均不能堆積電荷。因此“任何一瞬時,流入任一節點的支路電流之和恒等于流出該節點的支路電流之和”,這就是基爾霍夫電流定律的基本內容。
基爾霍夫電壓定律是用來確定回路中的各段電壓之間的關系。“在任一回路中,從任何一點出發以順時針或逆時針方向沿回路循行一周,回路中各段電壓的代數和等于零”,這就是基爾霍夫電壓定律的基本內容。為了應用基爾霍夫電壓定律,必須選定回路的參考方向,當電壓的參考方向與回路的循行方向一致時取正號,反之取負號。列方程時,不論是應用基爾霍夫定律或歐姆定律,首先都要在電路圖上標出電流、電壓或電動勢的參考方向;因為方程式中的正負號是由它們的參考方向決定的,若參考方向選得相反,則會相差一個負號。
如圖所示電路中,已知R1=10Ω,R2=5Ω,R3=5Ω,Us1=12v,Us2=6V。
求:R1、R2、R3所在支路電流I1、I2、I3。
解:1.先假定各支路電流的參考方向,如圖所示。
2.根據KCL列出節點電流方程,由節點A得到I1+I3-I2=0。
3. 選定回路的繞行方向就是電勢降落的方向,如圖所示。
4. 根據KVL列出兩個網孔的電壓方程。
網孔AdcBbA:-I2R2-I3R3+Us2=0;其中I2R2、I3R3為負是因為電流與電壓參考方向相反,歐姆定律用負的。
網孔AbBaA:I1R1+I2R2-Us1=0;其中Us1為負是因為它電壓的方向與循行方向相反。
代入電路參數,得方程組:
I1+I3-I2=0
-6=-5I2-5I3
12=10I1+5I2
解方程組,得:I1=0.72A,I2=0.96A,I3=0.24A。
從基爾霍夫定律的應用中可以看到,電流、電壓的方向問題就是解題的對錯問題,足以見證電流、電壓方向的重要性。如果沒有靜電場的電場線的形象講解,學生就很難看出電流與電壓實際方向的一致性,那么,歐姆定律正負公式推出就難講述,歐姆定律講不好,基爾霍夫定律就很難講,更別說應用基爾霍夫定律解決實際問題了。所以,靜電場內容是是直流電內容講解的前提和基礎,兩章內容密不可分。
參考文獻:
中圖分類號:G4
物理結論常用的表達方式有:文字敘述、數學語言表達、特定表示法,初中物理中以文字敘述最為常見。物理結論的表述要求科學、準確,同時必須注意結論的嚴密性和邏輯性。物理結論的形成通常建立在數據分析和因果關系分析,這兩種關系的分析一般采用控制變量的研究方法,如果能知道一個現象的發生是由于某個原因引起的,又能從該現象和某原因之間所存在的數量關系中找出規律,只要把這兩個方面概括起來進行描述,就很容易得出實驗結論。下面結合歐姆定律的形成和理解,就同學們表述物理結論時出現的錯誤,談談物理結論的準確表述及形成過程。
歐姆定律這一基本規律,是初中電學知識的基礎和重點,可以說它是解決電學問題的一把金鑰匙。它揭示了電流、電壓、電阻三者之間的定量關系,是利用控制變量法在實驗的基礎上歸納總結出來的。即控制電阻不變,得到通過導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比;控制導體兩端的電壓不變,得到通過導體中的電流跟導體的電阻成反比。教材(北師大版九年級物理教材)中表述為:導體中的電流,跟導體兩端的電壓成正比,跟導體的電阻成反比。它的表達式為:,表示導體中的電流的大小取決于這段導體兩端的電壓和這段導體的電阻,當導體兩端的電壓(U)或導體本身的電阻(R)變化時,通過導體的電流(I)將發生相應的變化。其中電流(I)、電壓(U)、電阻(R) 這三個物理量必須是對應于同一導體(或同一段電路)在同一時刻(或同一段時間),也可以說是"一一對應"的,即應用歐姆定律時,必須講究同一性和同時性。用它進行計算時,帶入數據的單位必須統一為國際單位。另外,它還反映了導體兩端保持一定的電壓,是導體形成持續電流的條件。若導體本身的電阻(R)不為零,兩端的電壓(U)為零,則通過導體的電流(I)也為零,也就是,給一導體兩端不加電壓,就沒有電流通過;若導體是絕緣體電阻(R)可為無窮大,即使它的兩端有電壓(U),通過導體的電流(I)也為零,電流無法通過。
而通過歐姆定律得到的變形式表示一段導體兩端的電壓跟這段導體中的電流之比是一個不變的值,等于這個導體的電阻,它是電阻的計算式,而不是它的決定式。導體的電阻反映了導體本身的一種性質,是表示導體對電流阻礙作用的本領大小,其大小只決定于導體的材料、長度、橫截面積和溫度,跟導體兩端的電壓和導體中有無電流無關,不能受數學的思維定勢影響。
例題:某同學在做"探究通過導體的電流與電阻的關系"的實驗中,收集了一些實驗數據如下表,由表內數據可得的結論是:___________。【電壓U=3V】
電流I/A
0.3
0.2
0.1
電阻R/Ω
10
15
30
【錯誤結論之一】當導體兩端的電壓一定時,導體的電阻跟通過導體的電流成反比。
【病因】顛倒因果關系,犯邏輯錯誤
【分析 】原因和結果,在物理實驗中,通常表現為物理條件和現象,物理條件是原因,物理現象是結果,物理條件的改變引起了物理現象的變化。因此要歸納科學規律,一方面要關注物理條件改變與物理現象變化之間的聯系,另一方面還要注意兩個物理量的因果關系,不能前后顛倒。由于通過導體的電流跟導體兩端的電壓和導體的電阻這兩個因素有關,因此本實驗探究通過導體的電流跟電阻的關系的方法是:保持導體兩端電壓不變,通過改變導體的電阻,來觀察電流的變化情況。電阻的變化是原因,電流的變化是結果。因此,表述這類問題必須首先明確"那是因、哪是果"。
【錯誤結論之二】當導體兩端的電壓一定時,導體的電阻越大,導體中的電流就越小。或者,當導體兩端的電壓一定時,導體的電阻隨導體中的電流的增大而減小。
【病因】混淆定量描述與定性分析
【分析】從表中電流、電阻的實驗數據的規律表明:當導體兩端的電壓一定時,導體的電阻增大為原來的幾倍,導體中的電流就減小為原來的幾分之一。兩個物理量之間存在反比關系,屬于定量關系,上述錯誤卻表達為×××隨×××的增大而減小,屬于定性關系,不準確。
【錯誤結論之三】導體中的電流跟導體的電阻成反比。
【病因】注重結果,忽視條件
【分析】物理結論都有其成立的條件,表達時如果忽視了成立的條件,就是不準確的,甚至是錯誤的,這類問題常常用控制變量探究問題,分析實驗數據時,要分清哪個因素是自變量(引起實驗結果變化的原因),哪個因素是因變量(實驗結果,其變化是由其它因素的變化引起的),哪個因素是不變量(包括相等的量),最后得出正確結論,其格式一般為"在......不變(或相等)的情況下(條件) ......(結果)"
本人在長期的教學實踐中總結出,物理結論的形成一般分為以下四步:
(1)、抓問題。就是通過審題弄清要研究的問題,即研究對象。也就是說首先明確被研究量及相關的各個因素。上述問題研究的是通過導體的電流跟導體的電阻的關系。
(2)、找條件。確定結論成立的條件,即找出題目中給出的條件或控制哪些量不變。上述題目中給出導體兩端的電壓不變。