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Excel輔助高中物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)

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Excel輔助高中物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)

摘要:利用計(jì)算機(jī)軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué),有利于借助較直觀的圖表,引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì),提升學(xué)科核心素養(yǎng)。以利用excel輔助高中物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)的嘗試為例,將分壓、限流、內(nèi)接、外接的各種誤差變化直觀且動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)于學(xué)生面前,方便學(xué)生對知識(shí)的理解與鞏固。教師要拓展教學(xué)思路,研究新的教學(xué)方法,以實(shí)現(xiàn)更有效的教學(xué)。

關(guān)鍵詞:Excel輔助;物理教學(xué);滑動(dòng)變阻器接法;內(nèi)接法;外接法;誤差分析

利用計(jì)算機(jī)軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué),是優(yōu)化物理教學(xué)的重要途徑,有利于引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)科本質(zhì),提升學(xué)科核心素養(yǎng),這也是促進(jìn)教學(xué)手段現(xiàn)代化的需要[1]。“測電阻”及其相關(guān)知識(shí)為高中物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容,也是高考物理試卷中的高頻考點(diǎn),其中對于滑動(dòng)變阻器的選擇及接法、電流表內(nèi)接或外接問題的考查較為頻繁,考查方式有:器材選擇、畫電路圖、實(shí)物圖連線、誤差分析等。但許多學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中只記口訣,如“從零開始用分壓”“大內(nèi)偏大、小外偏小”之類,以應(yīng)付解題,卻對其中的物理原理無法深入理解,這大多與教師的教學(xué)方式有關(guān),僅從公式角度去推導(dǎo),會(huì)使得學(xué)生對物理過程印象不深刻,無法形成較長時(shí)間的記憶。筆者在實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)中,利用Excel輔助物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué),將分壓、限流、內(nèi)接、外接的各種誤差變化直觀且動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)于學(xué)生面前,取得了良好的教學(xué)效果。

一、滑動(dòng)變阻器的接法對比

1.分壓式接法

(1)電路及原理

設(shè)R滑中與待測電阻并聯(lián)的那一部分為R左,Ux為Rx獲得的電壓,見圖1。(2)圖像對比分析當(dāng)電源電動(dòng)勢E=10V,內(nèi)阻r1=1Ω,待測電阻Rx=10Ω,選取三種滑動(dòng)變阻器作為研究對象,使R滑分別為:100Ω,10Ω,4Ω,改變R左,當(dāng)R左/R右取不同值時(shí),研究Ux隨R左變化的數(shù)據(jù)(見表1),趨勢對比見圖2。小結(jié):可以看出,滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法時(shí),均可以實(shí)現(xiàn)Ux從0開始變化,調(diào)節(jié)范圍比較大。當(dāng)R滑>Rx時(shí),Ux未能隨之呈線性變化;當(dāng)R左/R右較小時(shí),Ux隨R左/R右變化不明顯;而當(dāng)R左/R右較大時(shí),Ux隨R左/R右變化而急劇變化,故不易調(diào)節(jié);當(dāng)R滑=Rx時(shí),除了R左/R右較大的那一小段,其余的Ux隨著R左/R右變化呈線性變化;當(dāng)R滑<Rx時(shí),Ux隨著R左/R右變化也呈線性變化。當(dāng)然,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,R滑過小時(shí),R總也會(huì)很小,造成干路電流過大,不但耗能,而且易燒壞電路。所以在測量電阻時(shí),需要使Ux可調(diào)節(jié)范圍較大,且當(dāng)R滑<Rx時(shí),R滑又不至于比Rx小太多,因此比較適合分壓式接法。2.限流式接法(1)電路及原理設(shè)R滑中有效接入電路的那一部分為R左,Ux為Rx獲得的電壓,見圖3。

(2)圖像對比分析

取電源電動(dòng)勢E=10V,內(nèi)阻r1=1Ω,待測電阻Rx=10Ω,選取三種滑動(dòng)變阻器作為研究對象,使R滑分別為:4Ω,30Ω,300Ω。改變R左,當(dāng)R左/R右取不同值時(shí),研究Ux隨R左變化的數(shù)據(jù)(見表2),趨勢對比見圖4。小結(jié):可以看出,當(dāng)滑動(dòng)變阻器采用限流式接法時(shí),均不能實(shí)現(xiàn)Ux從0開始變化,調(diào)節(jié)范圍總體較小。當(dāng)R滑<Rx時(shí),可調(diào)節(jié)的范圍比較小;當(dāng)R滑>Rx時(shí),調(diào)節(jié)范圍會(huì)變大;當(dāng)R滑是Rx的十倍甚至幾十倍時(shí),表面上看Ux的變化范圍大大增加,但實(shí)際上,當(dāng)R左/R右較小時(shí),Ux隨著R左/R右變化而急劇變化,而當(dāng)R左/R右較大時(shí),Ux卻幾乎無變化,此階段實(shí)際是無效調(diào)節(jié)。所以在此種情況中,有效調(diào)節(jié)的范圍實(shí)際上變小了。所以,當(dāng)測量電阻時(shí),不強(qiáng)調(diào)從0開始調(diào)節(jié),且R滑略大于Rx或?yàn)镽x的幾倍時(shí),比較適合限流式接法。而且,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,若R滑相對大一些,R總也會(huì)相對大一些,干路電流較小,不但節(jié)能,而且能保護(hù)電路。

二、電流表內(nèi)外接法的對比

1.電流表外接法誤差分析

(1)電路圖及原理

(見表3)(2)圖像對比分析選取R真分別為:10Ω,20Ω,30Ω……,令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V,3.0V,4.5V……,得到電阻測量值,填入表4中。再換電壓表2(RV2=150000Ω),測相同的電阻:10Ω,20Ω,30Ω……,同樣令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V,3.0V,4.5V……,得到電阻測量值,填入表4中,對比兩組測量值相對誤差的變化趨勢(見圖5)。

(2)圖像對比分析

選取R真分別為:10Ω,20Ω,30Ω……,令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V,3.0V,4.5V……,得到電阻測量值,填入表4中。再換電壓表2(RV2=150000Ω),測相同的電阻:10Ω,20Ω,30Ω……,同樣令對應(yīng)電壓表1(RV1=15000Ω)讀數(shù)分別為1.5V,3.0V,4.5V……,得到電阻測量值,填入表4中,對比兩組測量值相對誤差的變化趨勢(見圖5)。小結(jié):可以看出,采用電流表外接法時(shí),無論是接入電壓表1(RV1=15000Ω)還是接入電壓表2(RV2=150000Ω),當(dāng)待測電阻增大時(shí),測量值的相對誤差都變大;接入電壓表1相對于接入電壓表2所造成的測量值的相對誤差更大。故采用外接法測量小電阻時(shí),測量值相對誤差較小;外接法的誤差來源于電壓表的分流作用,當(dāng)采用的電壓表內(nèi)阻RV較大時(shí)(即越接近理想電壓表時(shí)),相對誤差越小。

2.電流表內(nèi)接法誤差分析

(1)電路圖及原理(見表5)

(2)圖像對比分析

當(dāng)電壓表阻值分為RA1=0.5Ω,RA2=0.05Ω時(shí),代入以上公式,可得相關(guān)數(shù)據(jù)(見表6),對比測量值相對誤差的變化趨勢見圖6。小結(jié):可以看出,采用電流表內(nèi)接法時(shí),無論是接入電流表1(RA1=0.5Ω)還是接入電流表2(RA2=0.05Ω),當(dāng)待測電阻增大時(shí),測量值的相對誤差都會(huì)變小;接入電流表1(RA1=0.5Ω)相對于接入電流表2(RA2=0.05Ω)所造成的測量值的相對誤差更大。故當(dāng)采用內(nèi)接法測量大電阻時(shí),測量值相對誤差較小;內(nèi)接法的誤差來源于電流表的分壓作用,當(dāng)采用的電流表內(nèi)阻RA較小時(shí)(即越接近理想電流表時(shí)),相對誤差越小。

3.關(guān)于測量電阻是屬于“大電阻”還是“小電阻”的判斷

由前述可以看出:當(dāng)測量小電阻時(shí),采用外接法測量值相對誤差較小;當(dāng)測量大電阻時(shí),采用內(nèi)接法測量值相對誤差較小,但問題是:當(dāng)已知一個(gè)待測電阻的估計(jì)值時(shí),如何判斷此電阻是大電阻還是小電阻?當(dāng)測量某一阻值為R的電阻時(shí),用外接法測量的相對誤差為:δ1=RR+RV;用內(nèi)接法測量的相對誤差為:δ小結(jié):可以看出,采用電流表內(nèi)接法時(shí),無論是接入電流表1(RA1=0.5Ω)還是接入電流表2(RA2=0.05Ω),當(dāng)待測電阻增大時(shí),測量值的相對誤差都會(huì)變小;接入電流表1(RA1=0.5Ω)相對于接入電流表2(RA2=0.05Ω)所造成的測量值的相對誤差更大。故當(dāng)采用內(nèi)接法測量大電阻時(shí),測量值相對誤差較小;內(nèi)接法的誤差來源于電流表的分壓作用,當(dāng)采用的電流表內(nèi)阻RA較小時(shí)(即越接近理想電流表時(shí)),相對誤差越小。3.關(guān)于測量電阻是屬于“大電阻”還是“小電阻”的判斷由前述可以看出:當(dāng)測量小電阻時(shí),采用外接法測量值相對誤差較小;當(dāng)測量大電阻時(shí),采用內(nèi)接法測量值相對誤差較小,但問題是:當(dāng)已知一個(gè)待測電阻的估計(jì)值時(shí),如何判斷此電阻是大電阻還是小電阻?當(dāng)測量某一阻值為R的電阻時(shí),用外接法測量的相對誤差為:δ1=RR+RV;用內(nèi)接法測量的相對誤差為:

三、結(jié)語

在本次實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)中,筆者利用Excel輔助物理實(shí)驗(yàn)器材選擇教學(xué)。課前備課時(shí),先設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù);在課堂上分析原理時(shí),生成各種圖表,此過程便于將分壓、限流、內(nèi)接、外接的各種誤差變化直觀且動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)于學(xué)生面前,使其從各種圖表信息中體會(huì)到相應(yīng)的物理內(nèi)涵,看得清、學(xué)得實(shí)、記得牢。現(xiàn)在很多學(xué)校的多媒體設(shè)備都很齊全,但通常僅限于教師講解或是播視頻時(shí)使用。對此,教師要拓展教學(xué)思路,讓Excel等軟件有效輔助教學(xué),使之較直觀地反映物理規(guī)律,促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的理解與鞏固,以實(shí)現(xiàn)更有效的教學(xué)[2]。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2017.

[2]方武增.教輔軟件進(jìn)課堂生成成自然—利用Excel軟件分析物理題實(shí)例[J].物理教學(xué),2017(6):53-54.

作者:方武增 單位:廣東省揭陽市惠來慈云實(shí)驗(yàn)中學(xué)

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