以“问”引思，以“改”促教

刘良玉

摘 要：实验既是物理学的研究手段，也是培养学生动手、综合分析和思维创新能力等物理学科素养的重要途径和方式。本文以改进“测定金属丝电阻率”实验方案为例，针对教材中原有的实验方案未能考虑到温度对电阻率的影响，而造成不同小组测量结果不尽相同的问题。本文从实验器材的换位、替换、增减入手，教师通过设问的方式，引导学生参与实验方案的设计和改进，激发了学生的学习兴趣，提高了学生分析、解决问题的能力，促进了实验教学效率的提升。

关键词：高三物理 实验复习课 方案改进 金属电阻率测量

1 原实验方案及其不足之处

对于高三物理的实验复习教学，教师常常感觉到耗时多而效果差，尤其是面对灵活多变的电学实验，学生往往感到无从下手。要提高高三物理实验复习的教学效果，需要学生重做实验，但又不能简单机械地重复，而是需要在原有的实验基础上进行有创新的实验。通过对实验方案的设计和改进，更能激发学生的思维，提升学生的实验技能和创新能力。

教材中原有实验方案及要求如图1所示：

1.1 实验原理

①

1.2 实验器材

测金属丝RX、螺旋测微器、毫米刻度尺、安培表、伏特表、滑动变阻器、直流电源、开关、导线若干。

1.3 实验步骤

（1）螺旋测微器在被测金属丝的三个不同位置各测一次直径，求出其平均值d;

（2）按照電路图连接好实验电路;

（3）用毫米刻度尺测量接入电路中被测金属丝的有效长度，反复测量3次，求出其平均值L;

（4）把滑动变阻器的滑动片调节到使接入电路中的阻值最大的位置;

（5）闭合开关，改变滑动变阻器滑动片的位置，读出几组相应的安培表、伏特表的示数I和U的值，然后通过欧姆定律求出接入电路中电阻丝的阻值RX;

（6）拆除实验线路，整理好实验器材。

1.4 该实验方案的不足

由于未考虑到待测金属丝的电阻阻值较小，一旦通过的电流较大，时间较长时，就会使电阻丝发热，从而导致电阻率变化较大，影响实验的测量结果。

2 改进的实验方案

2.1 “换位”测量，“巧改”方案

根据实验原理： ②

设置问题1：为减小温度对电阻率的影响，能否在通入的电流不变的情况下，测定金属丝的电阻率？

（引导学生分析实验原理，通过数学变形得到实验原理方程②）

设置问题2：根据上面的实验原理方程②，分析该实验需要测量哪些物理量？

（引导学生根据待测的物理量进行实验数据的表格设计）

d=          m           I0=          A

L（m） 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

U（v）

设置问题3：为获得多组电压数据，如何在原有的实验方案基础上进行实验器材的改进？

（引导学生只需将原来接在伏特表的两条导线改成两条带鳄鱼夹的导线即可实现）

设置问题4：能否根据上面的实验原理设计出实验的电路图？

（引导学生可以通过移动原实验方案电路图中的一条导线位置就可以得到新实验方案的电路图）

设置问题5：在实验过程中有哪些注意事项？

（闭合电键，调节滑动变阻器滑片至适当位置后，不再移动滑片，以保证安培表的示数不变，并记下其读数I0;然后通过移动金属丝上的一个鳄鱼夹的位置来改变接入伏特表两端的金属丝的长度L，分别测出长度L对应的伏特表的读数U）

设置问题6：如何利用图像法进行实验数据的处理？能否利用图线的斜率去求解金属丝的电阻率？

（引导学生以电压U为纵坐标，金属丝的长度L为横坐标，建立平面直角坐标系图像，然后用平滑的曲线把各点数据连接起来，得到U-L图像）

设置问题7：对比与原来的实验方案，你觉得此实验方案有何优点？

（引导学生进行小组讨论，得出结论：改进后的实验方案，保证了通过待测金属丝的电流恒定，减小了温度变化对电阻率的影响因素。）

通过改进实验方案，让学生真正参与到实验设计中来，激发学生动手实验的欲望和兴趣。

2.2 “替代”思想，“简化”方案

根据实验原理： ③

设置问题1：为减小温度对电阻率的影响，根据实验原理方程③，能否设计这样的一种电路：可以直接读出待测金属丝阻值的电路？

（引导学生考虑用“等效替代”的思想）

设置问题2：如何保证“替代”的器材与待测金属丝在电路中的

“效果”相同且可读数？（引导学生考虑使用与待测金属丝阻值相同的电阻箱进行“替换”）

设置问题3：如何观察和检验 “替代”前后电路中的“效果”相同？

（“效果”相同的直观体现即是“替换”前后电路中的电流

相同）

设置问题4：能否根据上面的实验原理设计出实验的电路图？

（引导学生根据实验的安全性原则，还需在电路中串联一个限流电阻;并且引导学生可以利用单刀双掷开关进行简化电路的连接）

设置问题5：新实验方案需要哪些实验器材？

（待测金属丝RX、螺旋测微器、毫米刻度尺、安培表、限流电阻R0、电阻箱R、

单刀双掷开关、直流电源、导线若干）

设置问题6：在实验过程中有哪些注意事项？

（先将电键K打到b，记下此时安培表的指针偏转位置;然后将电键K打到c，调节电阻箱R的阻值，直到使安培表的指针偏转到与电键K打到b时的位置相同，此时电阻箱的读数即为待测金属丝RX的阻值）

设置问题7：对比与原来的实验方案，你觉得此实验方案有何优点？

（通过增加电阻箱R、单刀双掷开关、限流电阻R0等器材，利用替代法改进后的实验方案，实现了“简化”实验测量的目的。）。

2.3 “减少”器材，“创新”方案

根据实验原理：④

设置问题1：根据实验原理，设计出用最少的仪器，最简单的电路去测定金属丝的阻值。

（引导学生思考测量电阻的常用方法，从“伏箱法”入手，进一步简化器材并设计方案）

设置问题2：根据实验原理方程④，请设计出实验的电路图？

（引导学生利用串联电路的特点，通过间接的方法测出通过待测金属丝的电流和它两端的电压）

设置问题3：在实验过程中有哪些注意事项？

（实验过程中，先将电键K打到b，读出此时伏特表的读数U1;然后将电键K打到c，读出此时伏特表的读数U2）

设置问题4：新实验方案对伏特表有何要求？

（伏特表必须是已知表的内阻且与RX阻值相近）

设置问题5：为减少实验误差，新实验方案对电源有何要求？

（为减少电源内阻对实验的影响，应该选用恒压直流电源）

设置问题6：新实验方案需要哪些实验器材？

（待测金属丝RX、螺旋测微器、毫米刻度尺、伏特表、单刀双掷开关、恒压直流电源、导线若干）

设置问题7：对比与原来的实验方案，你觉得此实验方案有何优点？

（改进后的实验方案，不仅避免了温度变化对电阻率的影响因素，还最大程度地简化了实验器材和电路的连接。）

3 结语

实验方案的设计和改进是实验教学的重点和难点，也是最能体现学生物理综合素养的关键环节。[1]本文通过对“测定金属丝电阻率”实验方案的改进，以常规方案为基础，从实验原理出发，以问题为引导，通过三种改进的实验方案，让学生初步掌握了实验改进的方法，提高了学生的分析和知识运用的能力。多种不同的实验方案不仅体现了电学实验的灵活性，也让学生深刻地体会到掌握好实验的基本原理和方法的重要性。

参考文献：

[1] 朱小勇.《從设计方案入手，改进高三物理实验教学效果策略》.

[2] 关晖，张华道.《对学生实验“测定金属丝电阻率”的变换处理》.

[3] 张生斌.《对“测定金属丝电阻率”实验的教学改进》.