教学设计 “伏安法测电阻的实验设计”复习
福建省明溪一中 饶炳生
▲教学内容分析
电压表和电流表是电学实验基本测量仪器，伏安法测电阻是高中物理典型的设计性实验，以伏安法测电阻为基础进行电学实验的设计是高考物理命题热点：2009年、2010年高考福建理综卷物理实验与探究题（第19题）均以此为核心进行实验命题。伏安法测电阻的基本原理是部分电路欧姆定律，围绕实验目的有设计实验方案、选择实验器材、设计和画出实验电路图、连接实物图、进行数据处理与误差分析等方面的问题，问题的重点在电路设计中测量电路的内外接和控制部分的分压限流式接法的选择。
▲学生学习情况分析
伏安法测电阻实验主要涉及部分电路欧姆定律、电流表内外接及误差分析、滑动变阻器的分压和限流式接法、在估算电流电压的基础上选择器材并设计电路。对学生能力要求较高，学生在误差分析和实验方案的创新设计上存在较大的困难，本节课前已复习了内外接及误差分析、分压限流及选择依据、电表的使用与读数等知识，在教学上以此为基础结合学生认知特点，通过合理的设计，引导学生主动参与、积极思维，掌握设计的基本流程与分析的方法。
▲设计思想
本节课的设计倡导自主学习与科学探究，新课程理念既重视探究的结果也重视探究的过程，让学生在探究的过程中体验探究的乐趣，培养探究的能力，收获探究的习惯。实验复习过程中，教学要适当开放，给学生思维和想象的空间，要让学生动手动脑。实验复习要重在提高学生的实验能力而不仅仅是掌握某一具体的实验过程。从学生的认知特点出发，注意理论联系实际，关注生产生活中的实际问题。注重创设问题情境，激发疑问，有效导学。针对学生学习上的疑难点，精心设计教学问题，让学生通过具体问题解决，掌握知识与技能，培养探究与设计能力，达成预期的三维教学目标。
▲教学目标
1、 知识与技能
能根据实验目的设计实验方案、选择实验器材、画出实验电路图、连接实物图、会进行数据处理与简单的误差分析。
2、 过程与方法
通过案例分析，对学生设计测电阻的实验能力进行培养与再提高。通过测电阻原理的创新设计，培养运用知识解决实际问题的能力。
3、 情感态度价值观
运用所学知识解决测电阻的具体问题，体验严谨认真的科学态度、树立学以致用的知识观。
▲教学重点和难点
教学重点：器材选择与电路设计
教学难点：实验方案的创新设计
▲教学过程设计
一、引入教学
教师：伏安法测电阻电路设计要考虑哪两个基本环节？
学生：测量部分：电流表的内接法与外接法
控制部分：滑动变阻器的分压式与限流式接法
教师板书：画出相关电路图
引出课题：伏安法测电阻的实验设计
二、伏安法测电阻的实验设计案例分析
★案例1．用伏安法测量一个定值电阻阻值，给出的器材规格如下：
（1）待测电阻Rx（约100Ω）
（2）直流毫安表（量程为0～10mA，内阻为50Ω）
（3）直流电压表（量程为0～3V，内阻为5kΩ）
（4）直流电源（输出电压为4V，允许最大电流为1A）
（5）滑动变阻器（阻值范围为0～10Ω，允许最大电流为1A）
（6）开关一个，导线若干条.根据器材的规格和实验要求，作出正确的电路图.
设计意图：前一节已进行电学实验设计基础知识的复习，本节以此为教学起点，首先进行常规的电路设计，主要考虑电流表的内外接和滑动变阻器的接法，并画出电路图。
教学流程：
教师：用伏安法测电阻，首先要判明电流表应该内接还是外接。如何判断？
学生：由题目所给的器材规格来看，不满足RA《Rx的条件，而是满足RV》Rx的条件，被测的是小电阻，所以应采用电流表外接法。
教师：滑动变阻器接成限流式可以吗？请结合图示计算说明
学生：估算限流式电路的最大电流为25 mA，“限不住”只能接成分压式。
教师：请画出实验电路图。
学生：在练习本上作图。
教师：投影展示部分学生练习本上所画的电路图，分析存在的问题，强调作图注意事项：用刻度尺作图，线头与接线柱连接紧密，整个电路由若干矩形构成。本实验画图的关键是：毫安表需外接，变阻器接成分压电路（如图3），实验开始前将滑动变阻器的滑动触头滑至分压为零的位置。
★案例2．有一电阻R，其阻值在100Ω～200Ω之间，额定功率为0.25W。要用伏安法较准确地测量它的阻值，实验器材有：
电流表（A1），量程0~50mA，内阻约为100
；
电流表（A2）
，量程0~1A，内阻约为20
；
电压表（V1）
，量程0~5V，内阻约为10k
；
电压表（V2）
，量程0~15V，内阻约为30k
；
滑动变阻器（R1），
变阻范围0~20
，2A；
滑动变阻器（R2），
变阻范围0~1000
，1A；
9V电源，开关S，导线。
（1） 实验中应选用的电流表、电压表、滑动变阻器分别是：
（2） 画出所用实验电路图
设计意图：通过师生互动，引导学生积极思维，从器材选择的“安全性”、“精确性”、“方便性”原则出发，重点进行器材选择的训练，并完成实验电路图的设计，巩固第一个训练点。
教学流程：
教师：“额定功率为0.25W”怎么理解？
学生：正常工作时的功率为0.25W……
教师：电阻的工作功率一定要为0.25W吗？更小可以吗？更大行吗？
师生分析：“额定功率为0.25W”应理解为允许消耗的最大功率。
教师：根据允许消耗的最大功率，可以估算什么？请算来看看。
学生：估算最大电流和最大电压
当Rx=100Ω时，Im=50mA Um=5V；当Rx=200Ω时，Im=35mA Um=7.1V
教师：显然电流表应选A1，电压表呢？选V2安全但精确度不够，选V1能保证安全吗？
学生：可以把电压控制在5V内，选V1更精确。
教师：滑动变阻器呢？学生思考后，师生分析得出0~1000
不方便调节，应选R1
教师：根据所选器材，实验电路应如何？
学生：外接、分压。
教师总结：本例主要学习器材的选择，重点体会选材“安全性”、“精确性”、“方便性”原则。
★案例3．（2009江苏高考单科）有一根圆台状均匀质合金棒如图甲所示，某同学猜测其电阻的大小与该合金棒的电阻率ρ、长度L和两底面直径d、D有关。他进行了如下实验：
（1）用游标卡尺测量合金棒的两底面直径d、D和长度L。图乙中游标卡尺（游标尺上有20个等分刻度）的读数L=________cm.
（2）测量该合金棒电阻的实物电路如图丙所示（相关器材的参数已在图中标出）。该合金棒的电阻约为几个欧姆。图中有一处连接不当的导线是__________.（用标注在导线旁的数字表示）
（3）改正电路后，通过实验测得合金棒的电阻R=6.72Ω.根据电阻定律计算电阻率为ρ、长为L、直径分别为d和D的圆柱状合金棒的电阻分别为Rd=13.3Ω、RD=3.38Ω.他发现：在误差允许范围内，电阻R满足R2=Rd·RD，由此推断该圆台状合金棒的电阻R=_______.（用ρ、L、d、D表述）
设计意图：侧重解决第2步，连线有何不当？重点突破从哪里切入分析？突出电路设计中电流表内外接与变阻器分压限流式接法这两个重要考查点，会识别与连接实物图。
教学流程：
教师：电路连接共有7条导线，从哪里入手分析？学生思考……
教师启发：伏安法测电阻实验最重要的两个考查点是什么？
学生：内外接 分压与限流
师生讨论：主要分析电流表与滑动变阻器接法是否恰当？
教师：实物连接中，电流表接成什么方式？恰当吗？
学生：本实验为测定一个几欧姆的电阻，在用伏安法测量其两端的电压和通过电阻的电流时，因为安培表的内阻较小，为了减小误差，应用安培表外接法，⑥线的连接使用的是安培表内接法。
教师：如何改正？请学生纠错并利用多媒体展示。
教师：实物连接中，滑动变阻器接成什么方式？恰当吗？
学生：限流式
师生分析：滑动变阻器最大阻值20
，是被测电阻的几倍，接成限流式能让被测部分的电压和电流有足够的变化范围，从“省电”“方便”角度看，本题接成限流式优于分压式。
设计意图：克服滑动变阻器总接成分压式的思维定势。
教师：实物连接中，此外还要考虑什么？
学生：电表的量程与“+”“-”接线柱
教师：圆台状合金棒的电阻R的表达式应怎样呢？
启发：审题是处理本题的关键，弄清题意也就能够找到处理本题的方法。请各学习小组讨论
学生分组讨论：根据电阻定律计算电阻率为
、长为L、直径分别为d和D的圆柱状合金棒的电阻分别为Rd=13.3Ω、RD=3.38Ω.即
，
，而电阻R满足R2=Rd·RD，将Rd、RD带入得
★案例4．（2009年福建高考理综19题）某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件。图为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，先需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：
器材（代号）
规格
电流表（A1）
电流表（A2）
电压表（V1）
电压表（V2）
滑动变阻器（R1）
滑动变阻器（R2）
直流电源（E）
开关（S）
导线若干
量程0~50mA，内阻约为50
量程0~200mA，内阻约为10
量程0~3V，内阻约为10k
量程0~15V，内阻约为25k
阻值范围0~15
，允许最大电流1A
阻值范围0~1k
，允许最大电流100mA
输出电压6V，内阻不计
①为提高实验结果的准确程度，电流表应选用 ；电压表应选用 ；滑动变阻器应选用 。（以上均填器材代号）
②为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号。
③若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点？
相同点： ，
不同点： 。
设计意图：本案例侧重领会实验方案的整体设计，重点学习从图象读取有效信息，作为选材与设计的依据，本题属常规题，新在读图读取信息。
教学流程：
教师：电表量程的选择应以电路允许的最大电流、最大电压为依据，本实验可以从哪里获得这方面的信息？。
学生：从图象可知 Im=140mA Um＜3V 电流表选A2 电压表选V1
教师：滑动变阻器方面如何考虑？
学生：由图象可知，电压从0开始变化，变阻器应接为分压式，且选R1便于调节。
教师：选好器材后，电流表应如何连接，从何得知？
学生讨论：可从图象估计被测电阻为几十欧姆（Rx=U/I），相对而言属小电阻，用外接法。
学生活动：设计电路图
设计意图：以近两年本省高考物理电学实验考题为案例，突出本节课所学考点的重要性，引发学生共鸣，使之重视并用心学好本节内容。通过两年高考对本考点的考查内容与角度的分析比较，感悟高考的命题方向与变化趋势。
★案例5．(2010年福建高考理综19题)如图所示是一些准备用来测量待测电阻
阻值的实验器材，器材及其规格列表如下：
器 材
规 格
待测电阻
电源
电压表V1
电压表V2
电流表A
滑动变阻器
开关S、导线若干
阻值在900Ω-1000Ω之间
具有一定内阻，电动势约9.0V
量程2.0V，内阻
=1000Ω
量程5.0V，内阻
=2500Ω
量程3.0A，内阻
=0.10Ω
最大阻值约100Ω，额定电流0.5A
为了能正常进行测量并尽可能减小测量误差，实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半，而且调节滑动变阻器能使电表读数有较明显的变化。请用实线代替导线，在所给的实验器材图中选择若干合适的器材，连成满足要求的测量
阻值的电路。
设计意图：侧重伏安法测电阻原理的创新设计，为下一节非常规方法测电阻---伏安法测电阻电路的延伸设计作准备。在所给电表因为量程等原因不适用时，如何找到可以替代的器材或方法。旨在突破电流表只能测电流、电压表只能测电压的思维定势。培养运用知识解决实际问题的能力。
教学流程：
教师：伏安法测电阻实验中，电表量程应恰当。本实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半，我们能从所给的电表中发现什么问题？
学生估算：流过待测电阻的电流约为
显然不能用电流表来测电流
教师：没有适合的电流表，怎么解决测电流的问题？从所给的电压表中能获得怎样的启示？
学生：两电压表均已知内阻，测出电压则可求出电流，替代电流表的作用。
教师：让一个电压表与被测电阻串联充当电流表，另一个电压表测电压，我们可以有几种不同的连接方式？
学生设计并由代表画到黑板上，如图：
师生互动分析各种连接方式电表读数能否满足要求：
取1000Ω
=1000Ω
=2500Ω
第一种方式：V1 半偏以上（如1.3V） V2（约2.6V）可半偏以上
第二种方式：V1 半偏以上（如1.2V） V2（不到1.2V）达不到半偏以上
第三种方式：V1 即使满偏（2V） V2（不到2V）达不到半偏以上
第四种方式：V1 半偏以上（大于1V） V2 （大于5V）超出量程
师生归纳：只有第一种连接方式符合要求
教师：滑动变阻器又该如何连接呢？
学生：由于待测电阻约1000Ω，滑动变阻器最大电阻为100Ω，要使电表读数发生变化，滑动变阻器必须使用分压式接法。
学生活动：画出电路图后连接实物图，由学生代表投影展示实物连线的过程。同学互评，教师点评。连接图如下
三、小结并布置作业
本节课复习了伏安法测电阻的实验设计，电路设计中应考虑 和 两个环节；器材选择应遵循 、 和 原则；已知内阻的电流表可当电压表使用，已知内阻的电压表亦可替代电流表。下节课我们将在伏安法测电阻原理的基础上，进一步学习测电阻电路的延伸设计。作业：针对训练2
▲ 板书设计（另附）
▲ 教学反思
这节课主要通过具体案例的探究，复习伏安法测电阻的电路设计、器材选择、实物连接、方法创新。每一个案例的教学，都是通过引导学生发现问题、分析数据、得出结论，体现了新课程“以学生为本”的教学理念，启发了学生思维，为学生创造了设计探究中发现问题、解决问题的情境。本节课前已复习了内外接及误差分析、分压限流及选择依据、电表的使用与读数等知识，下一节将复习伏安法测电阻电路的延伸设计，体现了按照学生的认知规律循序渐进的设计思想。设计中既有内接也有外接、既有分压也有限流，努力克服思维定势，树立具体问题具体分析的观点。全节复习中，以伏安法测电阻为主线，从常规设计、选材设计到方案设计，通过不同角度的呈现，突出了电路设计的教学重点。最后到创新设计，实现了原理的迁移，强化学生运用知识解决问题的创新能力的培养，这是这节课教学的难点，教学中通过四种可能方案的对比分析，使“要求测量时电表的读数大于其量程的一半”得以具体化，突破了教学的难点。作为高三复习课，关注了本知识点在近年高考中（特别是本省高考）的考查情况，提高了复习的针对性。
