论文部分内容阅读
《义务教育物理课程标准（2011年版》明确要求“通过实验，探究电流与电压、电阻的关系”，这就要求通过实验探究，让学生体验和经历科学探究的过程，自己找出电流与电压、电阻的关系，发展初步的科学探究能力（包括学习控制变量的方法、信息处理的方法、有对信息的有效性作出判断的意识、有初步的信息处理能力、实验中归纳简单的科学规律），形成尊重事实、探究真理的科学态度.从这个意义上来说是初中物理中重要的探究实验.本文介绍该实验的注意点。
1如何猜想电流与电压、电阻的关系
我们知道，电压是形成电流的原因，电阻对电流有阻碍作用，说明电流与电压、电阻之间存在关系，那么存在什么样的关系呢？如何猜想它们之间的关系呢？猜想不是胡猜乱想，猜想是应用现有的经验和知识对问题中的事实寻求可能解释的过程，因此猜想需要依据已有的经验和知识或科学事实.在这个问题上我们已有的经验和知识是什么呢？很显然，就是“电压是形成电流的原因，电阻对电流有阻碍作用”，因此我们猜想出“电压越大，电流越大”、“电阻越大，电流越小”。
2如何选择实验探究方法
我们知道，影响电流有两个因素：电压和电阻.这就告诉我们要采用控制变量法，如何控制变量呢？上述猜想“电压越大，电流越大”，“电阻越大，电流越小”应变成“电阻不变时，电压越大，电流越大”、“电压不变时，电阻越大，电流越小”，这就为我们进一步指明了探究的方向。
3如何设计实验、电路图、数据记录表和选择实验器材
在探究“电阻不变时，电压越大，电流越大”时，电阻不变时，电压越大，电流越大，它们之间是否存在某种定量关系呢？通常情况下，我们要有这个意识，当变量C不变时，变量B越大导致应变量A越大，我们可以进一步猜想为“当变量C不变时，应变量A与变量B成正比”，因此上述猜想进一步表述为“电阻不变时，电流与电压成正比”.至此我们的探究方向已经十分明朗，就是电阻保持不变，使其两端的电压成整数倍变化，观察电流变化.如何使电阻不变呢？很显然用一个电阻即可.如何使电压成整数倍变化呢？有两种方法：一是逐渐增加电池个数来使电压成整数倍变化；二是利用滑动变阻器来改变电阻两端的电压.哪种方便呢？当然是使用滑动变阻器.如何设计电路图呢？[TP12CW40.TIF，Y#]根据以上分析可知，我们要知道电阻两端的电压和通过其中的电流，必须使得电流表与其串联，电压表与其并联，要改变电阻两端的电压，必须串联滑动变阻器，因此设计出如图1所示的电路图。
在探究“电压不变时，电阻越大，电流越小”时，电压不变时，电阻越大，电流越小到什么程度呢？它们之间是否也存在某种定量关系呢？通常情况下，我们要有这个意识，当变量B不变时，变量C越大导致应变量A越小，我们可以进一步猜想为“当变量B不变时，应变量A与变量C成反比”，因此上述猜想进一[HJ1.25mm]步表述为“电压不变时，电流与电阻成反比”.至此在这个问题上我们的探究方向也已经十分明朗，就是使电阻成整数倍变化，保持每次电阻两端的电压不变，观察电流变化.如何使电阻成整数倍变化呢？很显然，换用成整数倍变化的电阻即可.如何使得不同电阻两端的电压保持不变呢？在前面电路设计的基础上只有移动滑动变阻器滑片来使得不同电阻两端的电压保持不变即可。
关于数据记录表的设计，首先要明确实验记录什么，其次再考虑设计式样.我们有两个实验探究，因此应设计成两个数据记录表.在探究“电阻不变时，电流与电压成正比”时，需要记录一个电阻值、至少三组对应的电压表和电流表的示数，因此应设计表1；在探究“电压不变时，电流与电阻成反比”时，需要记录一个电压值，至少三组对应的电阻值和电流表的示数，因此应设计成表2。
[TP12CW40A.TIF，BP#]
注意表格物理量要带单位，这是设计表格的基本要求。
通过以上分析，我们应选择以下器材：学生电源、开关、电流表、电压表、成整数倍变化的电阻（如5 Ω、10 Ω、20 Ω）、滑动变阻器、导线若干。
4如何处理收集数据过程中的问题
在探究“电压不变时，电流与电阻成反比”的实验中，我们事先选取电压不变（如1.5 V），当使电阻成整数倍变化时，发现无论如何调节滑动变阻器都无法使得电阻两端的电压为1.5 V（而是高于1.5 V），遇到这种情况， 实验中有些同学干脆把电压调到多大就把对应的电流记在表格中，很显然分析数据时不能得到正确的结论.我们怎么办呢？以上述情况为例，由于电压总比1.5 V高，我们应选择比这个电压更高的电压来保持不变.为什么呢？我们可以从串联电路的电阻分压特点来说明.为了更好地说明，我们以2007年南京市物理中考试题为例加以分析。
例（2007年南京）.小明同学用图2甲所示的电路来验证“电流与电阻的关系”，所用器材有：电压恒为3 V的电源，阻值为5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值电阻各一只，“15 Ωl A”的滑动变阻器一只，学生用电流表、电压表各一只，开关和导线若于。
（1）根据题意，请你选择合适的电表量程，并帮助小明按电路图用笔画线代替导线完成右边实物图（图2乙）的连接。
（2）实验过程中他控制定值电阻两端的电压恒为1.5 V。
[TP12CW41.TIF，BP#]
A.先将R用5 Ω的电阻接入电路中进行实验，读取与该电阻对应的电流值；
B.再将10 Ω的电阻替换5 Ω的电阻接入电路中进行实验，读取与该电阻对应的电流值；
C.最后他用20 Ω的电阻替换10 Ω的电阻接入电路中进行实验，发现无法读取与20 Ω的电阻对应的电流值.经检查，电路连接无误，且元件完好，请你帮他找出两种可能的原因。
原因1：[CD#6]原因2：[CD#6]
分析我们主要分析第（2）问.根据串联电路的电阻分压特点可知，两个电阻串联时，某一电阻两端的电压U1=[SX（]R1×U源[]R1 R2[SX）]，用20 Ω的电阻替换10 Ω的电阻接入电路中，由于滑动变阻器的最大阻值为15 Ω，当滑动变阻器接入电路中的电阻为零时，电源电压全部加在定值电阻两端，此时电压为最大值3 V；当滑动变阻器接入电路中的电阻最大为15 Ω时，加在定值电阻两端的最小值为1.7 V，因此用20 Ω的电阻替换10 Ω的电阻接入电路中后，定值电阻两端的电压变化范围为1.7 V～3 V，所以控制电压1.5 V选小了.当然从U1=[SX（]R1×U源[]R1 R2[SX）]可知，电源电压、滑动变阻器的阻值都会影响控制电压。
5如何排除电路故障
在探究电流与电压、电阻关系的实验中，涉及到电流表、电压表、滑动变阻器的连接，对学生的操作能力要求较高，正确连接电路是保证实验成功的前提.实验中，同学们出现的连接错误很多，比如电表的正负接线柱接反、滑动变阻器接线柱采用两下或两上，导致电表反偏、变阻器失去作用.如何在实验中避免出现类似的错误呢？采取如下方法：一是保证实验器材处于良好的状态，实验前教师应逐一检查实验器材，发现螺丝松动的要紧固好，发现滑动变阻器滑片接触不良的要更换，避免由于仪器的原因造成不必要的麻烦，影响学生的情绪，挫伤他们的积极性，这一点尤其注意；二是实验前要充分复习好电表和滑动变阻器的实验注意点以及连接电路的注意点，告诉学生正确的连接方法即先按电路图中各器材的位置摆放好器材，再用导线先串后并（即最后连接电压表），由于我们所使用的电表正接线柱在右边，因此电源正极放在右边好；三是掌握常见的故障排除方法，原则是遇到故障首先应断开开关，再根据现象判断故障，本实验中常见的故障及原因如表3所示。
6如何归纳科学规律
要归纳科学规律，就要寻找数据之间关系的特征.在初中物理，这种特征通常表现为相等（如串联电路电流特点、并联电路电压特点）、之和（如串联电路电压特点、并联电路电流特点）、之差、乘积、比值，如杠杆的平衡条件等数学关系.因此在归纳时，就要通过对数据的比较，发现这些特征并归纳出结论.归纳科学规律时我们要有这个意识。
本实验中，我们应通过实验数据分析是否成正比或成反比的关系，即比值是否相等，这种分析应该来说是比较简单.
总之，探究好“研究电流与电压、电阻的关系”，不仅让我们学到了知识，理解了规律，更重要的是培养了我们终身学习的探究乐趣、良好的思维习惯和初步的科学实践能力.
1如何猜想电流与电压、电阻的关系
我们知道，电压是形成电流的原因，电阻对电流有阻碍作用，说明电流与电压、电阻之间存在关系，那么存在什么样的关系呢？如何猜想它们之间的关系呢？猜想不是胡猜乱想，猜想是应用现有的经验和知识对问题中的事实寻求可能解释的过程，因此猜想需要依据已有的经验和知识或科学事实.在这个问题上我们已有的经验和知识是什么呢？很显然，就是“电压是形成电流的原因，电阻对电流有阻碍作用”，因此我们猜想出“电压越大，电流越大”、“电阻越大，电流越小”。
2如何选择实验探究方法
我们知道，影响电流有两个因素：电压和电阻.这就告诉我们要采用控制变量法，如何控制变量呢？上述猜想“电压越大，电流越大”，“电阻越大，电流越小”应变成“电阻不变时，电压越大，电流越大”、“电压不变时，电阻越大，电流越小”，这就为我们进一步指明了探究的方向。
3如何设计实验、电路图、数据记录表和选择实验器材
在探究“电阻不变时，电压越大，电流越大”时，电阻不变时，电压越大，电流越大，它们之间是否存在某种定量关系呢？通常情况下，我们要有这个意识，当变量C不变时，变量B越大导致应变量A越大，我们可以进一步猜想为“当变量C不变时，应变量A与变量B成正比”，因此上述猜想进一步表述为“电阻不变时，电流与电压成正比”.至此我们的探究方向已经十分明朗，就是电阻保持不变，使其两端的电压成整数倍变化，观察电流变化.如何使电阻不变呢？很显然用一个电阻即可.如何使电压成整数倍变化呢？有两种方法：一是逐渐增加电池个数来使电压成整数倍变化；二是利用滑动变阻器来改变电阻两端的电压.哪种方便呢？当然是使用滑动变阻器.如何设计电路图呢？[TP12CW40.TIF，Y#]根据以上分析可知，我们要知道电阻两端的电压和通过其中的电流，必须使得电流表与其串联，电压表与其并联，要改变电阻两端的电压，必须串联滑动变阻器，因此设计出如图1所示的电路图。
在探究“电压不变时，电阻越大，电流越小”时，电压不变时，电阻越大，电流越小到什么程度呢？它们之间是否也存在某种定量关系呢？通常情况下，我们要有这个意识，当变量B不变时，变量C越大导致应变量A越小，我们可以进一步猜想为“当变量B不变时，应变量A与变量C成反比”，因此上述猜想进一[HJ1.25mm]步表述为“电压不变时，电流与电阻成反比”.至此在这个问题上我们的探究方向也已经十分明朗，就是使电阻成整数倍变化，保持每次电阻两端的电压不变，观察电流变化.如何使电阻成整数倍变化呢？很显然，换用成整数倍变化的电阻即可.如何使得不同电阻两端的电压保持不变呢？在前面电路设计的基础上只有移动滑动变阻器滑片来使得不同电阻两端的电压保持不变即可。
关于数据记录表的设计，首先要明确实验记录什么，其次再考虑设计式样.我们有两个实验探究，因此应设计成两个数据记录表.在探究“电阻不变时，电流与电压成正比”时，需要记录一个电阻值、至少三组对应的电压表和电流表的示数，因此应设计表1；在探究“电压不变时，电流与电阻成反比”时，需要记录一个电压值，至少三组对应的电阻值和电流表的示数，因此应设计成表2。
[TP12CW40A.TIF，BP#]
注意表格物理量要带单位，这是设计表格的基本要求。
通过以上分析，我们应选择以下器材：学生电源、开关、电流表、电压表、成整数倍变化的电阻（如5 Ω、10 Ω、20 Ω）、滑动变阻器、导线若干。
4如何处理收集数据过程中的问题
在探究“电压不变时，电流与电阻成反比”的实验中，我们事先选取电压不变（如1.5 V），当使电阻成整数倍变化时，发现无论如何调节滑动变阻器都无法使得电阻两端的电压为1.5 V（而是高于1.5 V），遇到这种情况， 实验中有些同学干脆把电压调到多大就把对应的电流记在表格中，很显然分析数据时不能得到正确的结论.我们怎么办呢？以上述情况为例，由于电压总比1.5 V高，我们应选择比这个电压更高的电压来保持不变.为什么呢？我们可以从串联电路的电阻分压特点来说明.为了更好地说明，我们以2007年南京市物理中考试题为例加以分析。
例（2007年南京）.小明同学用图2甲所示的电路来验证“电流与电阻的关系”，所用器材有：电压恒为3 V的电源，阻值为5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值电阻各一只，“15 Ωl A”的滑动变阻器一只，学生用电流表、电压表各一只，开关和导线若于。
（1）根据题意，请你选择合适的电表量程，并帮助小明按电路图用笔画线代替导线完成右边实物图（图2乙）的连接。
（2）实验过程中他控制定值电阻两端的电压恒为1.5 V。
[TP12CW41.TIF，BP#]
A.先将R用5 Ω的电阻接入电路中进行实验，读取与该电阻对应的电流值；
B.再将10 Ω的电阻替换5 Ω的电阻接入电路中进行实验，读取与该电阻对应的电流值；
C.最后他用20 Ω的电阻替换10 Ω的电阻接入电路中进行实验，发现无法读取与20 Ω的电阻对应的电流值.经检查，电路连接无误，且元件完好，请你帮他找出两种可能的原因。
原因1：[CD#6]原因2：[CD#6]
分析我们主要分析第（2）问.根据串联电路的电阻分压特点可知，两个电阻串联时，某一电阻两端的电压U1=[SX（]R1×U源[]R1 R2[SX）]，用20 Ω的电阻替换10 Ω的电阻接入电路中，由于滑动变阻器的最大阻值为15 Ω，当滑动变阻器接入电路中的电阻为零时，电源电压全部加在定值电阻两端，此时电压为最大值3 V；当滑动变阻器接入电路中的电阻最大为15 Ω时，加在定值电阻两端的最小值为1.7 V，因此用20 Ω的电阻替换10 Ω的电阻接入电路中后，定值电阻两端的电压变化范围为1.7 V～3 V，所以控制电压1.5 V选小了.当然从U1=[SX（]R1×U源[]R1 R2[SX）]可知，电源电压、滑动变阻器的阻值都会影响控制电压。
5如何排除电路故障
在探究电流与电压、电阻关系的实验中，涉及到电流表、电压表、滑动变阻器的连接，对学生的操作能力要求较高，正确连接电路是保证实验成功的前提.实验中，同学们出现的连接错误很多，比如电表的正负接线柱接反、滑动变阻器接线柱采用两下或两上，导致电表反偏、变阻器失去作用.如何在实验中避免出现类似的错误呢？采取如下方法：一是保证实验器材处于良好的状态，实验前教师应逐一检查实验器材，发现螺丝松动的要紧固好，发现滑动变阻器滑片接触不良的要更换，避免由于仪器的原因造成不必要的麻烦，影响学生的情绪，挫伤他们的积极性，这一点尤其注意；二是实验前要充分复习好电表和滑动变阻器的实验注意点以及连接电路的注意点，告诉学生正确的连接方法即先按电路图中各器材的位置摆放好器材，再用导线先串后并（即最后连接电压表），由于我们所使用的电表正接线柱在右边，因此电源正极放在右边好；三是掌握常见的故障排除方法，原则是遇到故障首先应断开开关，再根据现象判断故障，本实验中常见的故障及原因如表3所示。
6如何归纳科学规律
要归纳科学规律，就要寻找数据之间关系的特征.在初中物理，这种特征通常表现为相等（如串联电路电流特点、并联电路电压特点）、之和（如串联电路电压特点、并联电路电流特点）、之差、乘积、比值，如杠杆的平衡条件等数学关系.因此在归纳时，就要通过对数据的比较，发现这些特征并归纳出结论.归纳科学规律时我们要有这个意识。
本实验中，我们应通过实验数据分析是否成正比或成反比的关系，即比值是否相等，这种分析应该来说是比较简单.
总之，探究好“研究电流与电压、电阻的关系”，不仅让我们学到了知识，理解了规律，更重要的是培养了我们终身学习的探究乐趣、良好的思维习惯和初步的科学实践能力.