用体验代替接收，变被动为主动
陈家礼
多用电表是高中物理电学部分常见的仪表，功能较多，测量范围大，操作、读数方便，是高中物理重要的电学测量器材。要正确使用多用电表，必须全方位了解其工作原理，熟悉外部各个旋钮的功能和内部每个元件的关系，掌握多用电表工作时电路中的电流、电压及电阻的变化情况。
多用电表外部的“刻度显示盘”有什么特征？上面的刻度怎样标度？“机械调零旋钮”“欧姆调零旋钮”“选择开关”及“表笔”是如何使用的？多用电表内部由什么元件组成，它们是如何连接的？为什么将某待测电阻连接在两表笔间就可立刻从欧姆表盘上读出相应的电阻值？对于这些问题，教师往往利用闭合电路及部分电路欧姆定律、串并联电路规律对其工作原理的进行解析，使学生由浅入深地了解欧姆表的工作原理，知道各个部件的功能，能够利用欧姆表测量电阻并能完整读数。但这种教学模式的弊端也比较突出，学生掌握测量方法容易，但遗忘速度同样也很快。本文以笔者随堂听的 “多用电表欧姆挡的工作原理”新教材公开课为例，阐述如何在这类课堂教学中真正体现物理核心素养的培养。
一、突破传统，创设情景，勇于体验
1. 创设情景，观察现象
如图1所示，是电源向三个完全相同的灯泡供电的实验电路，
三个开关均闭合时，发现灯泡L1、L2发光，但灯泡L3不亮。
2. 提出问题，导入课题
在图1的实验中灯泡L3不亮是可以通过实验方法进行检测的，前面已学过的检测方法有：利用电压表检测灯泡L3两端电压是否正常，也可以利用电流表检测灯泡L3这条支路是否接通。还有其他的检测方法吗？下面再介绍一种通过直接测量灯泡的电阻判断灯泡好坏的方法。
3. 利用最简单的器材，通过实验体检测量电阻的基本方法
如图2所示，将电源E、r，电阻箱R，电流表A和开关S连成闭合电路，闭合开关S后，通过调整电阻箱R的阻值，得到电流表A的不同读数，根据闭合电路欧姆定律I=知，电阻箱R的阻值与电流表A的读数一一对应，将电流表的表盘刻度更换成直接显示电阻箱R阻值的电阻刻度，实现直接利用该电路测量电阻的阻值。为测量方便起见，可以对该电路进行改造，改造的方法如图3、图4所示。将待测电阻放置在红、黑表笔之间，就能从电阻刻度上直接得到测量电阻的阻值。
二、设计实验探究方案，感知电阻刻度的基本特征
1. 合理设计方案，通过实验描绘出不同电阻的刻度分布
如图5所示，将电阻箱R的电阻值分别设置为R1=5Ω、R2=10Ω、R3=15Ω、R4=20Ω、R5=25Ω，将电阻刻度取下，换成一张白纸，接通电路，记下各个电阻对应的刻度位置，实验记录的结果如图6所示。
由实验结果可知，电阻刻度的分布呈现电阻值越大，刻线分布越密集，电阻值越小对应的电流越大，电阻值越大对应的电流越小，刻度是不均匀分布的。
2. 引导学生优化实验方案，标出特殊阻值的电阻刻度
有学生提出，既然两表笔之间接任意阻值的电阻均可以在电流刻度上找到相应的位置，那么，当两表笔之间所接电阻为零（短路）时，此时电流刻度的位置应为0Ω位置，能否实现？教师引导学生按图7所示电路进行实验，发现当两表笔短暂短路时，电流已经超过量程，这说明该方案存在缺陷。教师及时提出问题：（1）导致该方案不能完成的最主要的问题是什么？（2）怎样改进才可以使实验继续进行？（3）如果能完成该实验方案，0Ω在什么位置比较合理？学生根据教师提出的问题，又进行新的实验设计，其中最根本的问题是两表笔之间所接电阻为零（短路）时，电路中的总电阻太小。因此，应在电路中串联一个可变电阻R0，通过调节R0的大小使指针刚好达到电流满偏位置，由于0Ω是最小的电阻，应将电流的满偏位置确定为电阻的0Ω位置，具体的实验过程如图8、图9、图10所示。
還有学生提出，当表笔之间断开（断路）时，电路中的电流为零，此时，指针应指在电流为零处，由于该位置是电流最小处，也应是电阻阻值最大处，可以设置为∞Ω的位置，具体的实验过程如图11、图12所示。
3. 完善实验设置，精心制作完整的电阻刻度
根据以上实验设计，已经确定电阻刻度（欧姆表盘）上0Ω、∞Ω的位置，当红、黑表笔短路（R=0Ω）时，如果指针不在0Ω位置，可以通过调整可变电阻R0，使指针指在0Ω位置，这就是“欧姆调零旋钮”的作用;当红、黑表笔开路时，如果指针不在∞Ω位置，可以通过调节“机械调零旋钮”，使指针指在∞Ω位置，这也就是 “机械调零旋钮”的功能。
为了使学生画出完整的欧姆表盘，利用已经形成的欧姆表内部结构，根据闭合部分电路欧姆定律，进一步完善表盘刻度。设欧姆表内电源内阻为r，电流表内阻为RA，可变电阻（调零电阻）阻值为R0，一般将（r+RA+ R0）记为欧姆表内阻RΩ，且RΩ=r+RA+R0，当R=0时，I===Ig;当R=RΩ时，I==Ig 。可见，欧姆表的中央刻度正好是RΩ，依次类推，可以得到任意位置的电阻刻度而形成完整的欧姆表盘，如图13、图14所示。
三、欧姆表表盘刻度不均匀对实验带来的影响及处理方法
上述实验已经证实，欧姆表表盘刻度不均匀，对电阻的测量会产生较大的误差，为了减少测量误差，一般要求测电阻时，指针指在相对均匀的中央刻度附近效果较好。但对不同阻值的电阻，不可能做到每次测量都能指在中央刻度附近，因此，欧姆表内通过设置了不同的倍率来解决测量误差大的问题。
1. 通过设置多个电源，解决不同倍率的问题
如图15所示，设开关S与1接通时，欧姆表内阻为20Ω，当红、黑表笔间接20Ω的电阻时，电流表指针正好指在中央刻度，此量程为“×1”倍率，由闭合电路欧姆定律知，I=;开关S与2接通时，欧姆表内阻为200Ω，当红、黑表笔间接200Ω的电阻时，电流表指针正好指在中央刻度，此量程为“×10”倍率，由闭合电路欧姆定律知，I=，得到E2>E1，可见，通过设置不同电源可以实现测量不同电阻时，电流表指针均可指在中央刻度附近，从而提高测量电阻的精度。
2. 通过改变欧姆表内部结构，解决不同倍率的问题
如图16所示，是倍率“×10”挡的电路图，当接入被测电阻Rx时，流经Rx电流为I0，流过欧姆表电流为I，如果制作的欧姆刻度盘读数是20Ω，则接入被测电阻Rx是200Ω。现要制作倍率“×1”挡，应该怎样做？
如图17所示，设虚线框中的等效总电阻为R2，当R1=R2时，R1与R2的并联电阻为R2，若R1连接在电路中，流过电流表电流为I时，则I1=9I0，Rx电流为Ix=10I0，此时，欧姆刻度盘读数是20Ω，R2=Ω=20Ω，测量电阻与表盘指示电阻相同，应为倍率“×1”挡。可见，要制作倍率“×1”挡，只需要将电阻R1=R2与电阻R2并联即可。这样，当开关S接通时，欧姆表的量程为“×1”挡，当开关S打开时，欧姆表的量程为“×10”挡，很明显也可以改变欧姆表的内部连接方式，测量不同电阻时，均可以使电流表指针指在中央刻度附近，减小测量误差。
四、多用电表中各个部位的功能及完备的多用电表的基本结构
有学生提问：欧姆表的面部“选择开关”起什么作用？“表笔”为什么分红、黑两种颜色？教师及时进行引导：一般制作欧姆表时，也将电流表、电压表合并在一起，构成多功能多量程的综合仪表（多用电表），通过面部的“选择开关”实现不同功能，而表笔的颜色主要是区分欧姆表内部电源的正、负极用。多用电表的基本结构如图18所示，当选择开关“S”接1、2时，多用电表成为电流表;当选择开关“S”接3、4时，多用电表成为电压表;当选择开关“S”接5时，多用电表成为欧姆表，为使不同电表工作时表头（图中的G表）均能正常工作，必须将黑表笔接公共端，红表笔接旋转开关，这样，一个比较完整的多用电表制作完成。理解多用电表的制作过程有利于掌握其基本的工作原理和使用方法。
这节课学生学习欧姆表工作原理，不再是传统的听讲模式，而是通过实验“亲身体验”并“逐渐感悟”欧姆表的基本原理和使用方法，变“被动接收知识”为“主动体验活动”，教师将学生理解困难的知识通过实验加以讲解，使学生感同身受，受益匪浅，这也体现了新教材对培养核心素养最基本的要求。
注：本文系广东省教育科学规划课题“高中物理体验式教学的模式构建”（课题编号：2020YQJK014）的阶段性成果。
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