Excel辅助高中物理实验器材选择教学

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摘要：利用计算机软件辅助实验教学，有利于借助较直观的图表，引导学生理解物理学的本质，提升学科核心素养。以利用excel辅助高中物理实验器材选择教学的尝试为例，将分压、限流、内接、外接的各种误差变化直观且动态地呈现于学生面前，方便学生对知识的理解与巩固。教师要拓展教学思路，研究新的教学方法，以实现更有效的教学。

关键词：Excel辅助；物理教学；滑动变阻器接法；内接法；外接法；误差分析

利用计算机软件辅助实验教学，是优化物理教学的重要途径，有利于引导学生理解物理学科本质，提升学科核心素养，这也是促进教学手段现代化的需要[1]。“测电阻”及其相关知识为高中物理实验的重要内容，也是高考物理试卷中的高频考点，其中对于滑动变阻器的选择及接法、电流表内接或外接问题的考查较为频繁，考查方式有：器材选择、画电路图、实物图连线、误差分析等。但许多学生在平时学习中只记口诀，如“从零开始用分压”“大内偏大、小外偏小”之类，以应付解题，却对其中的物理原理无法深入理解，这大多与教师的教学方式有关，仅从公式角度去推导，会使得学生对物理过程印象不深刻，无法形成较长时间的记忆。笔者在实验专题复习中，利用Excel辅助物理实验器材选择教学，将分压、限流、内接、外接的各种误差变化直观且动态地呈现于学生面前，取得了良好的教学效果。

一、滑动变阻器的接法对比

1.分压式接法

(1)电路及原理

设R滑中与待测电阻并联的那一部分为R左，Ux为Rx获得的电压，见图1。(2)图像对比分析当电源电动势E=10V，内阻r1=1Ω，待测电阻Rx=10Ω，选取三种滑动变阻器作为研究对象，使R滑分别为：100Ω，10Ω，4Ω，改变R左，当R左/R右取不同值时，研究Ux随R左变化的数据(见表1)，趋势对比见图2。小结：可以看出，滑动变阻器采用分压式接法时，均可以实现Ux从0开始变化，调节范围比较大。当R滑＞Rx时，Ux未能随之呈线性变化；当R左/R右较小时，Ux随R左/R右变化不明显；而当R左/R右较大时，Ux随R左/R右变化而急剧变化，故不易调节；当R滑=Rx时，除了R左/R右较大的那一小段，其余的Ux随着R左/R右变化呈线性变化；当R滑＜Rx时，Ux随着R左/R右变化也呈线性变化。当然，根据闭合电路欧姆定律可知，R滑过小时，R总也会很小，造成干路电流过大，不但耗能，而且易烧坏电路。所以在测量电阻时，需要使Ux可调节范围较大，且当R滑＜Rx时，R滑又不至于比Rx小太多，因此比较适合分压式接法。2.限流式接法(1)电路及原理设R滑中有效接入电路的那一部分为R左，Ux为Rx获得的电压，见图3。

(2)图像对比分析

取电源电动势E=10V，内阻r1=1Ω，待测电阻Rx=10Ω，选取三种滑动变阻器作为研究对象，使R滑分别为：4Ω，30Ω，300Ω。改变R左，当R左/R右取不同值时，研究Ux随R左变化的数据(见表2)，趋势对比见图4。小结：可以看出，当滑动变阻器采用限流式接法时，均不能实现Ux从0开始变化，调节范围总体较小。当R滑＜Rx时，可调节的范围比较小；当R滑＞Rx时，调节范围会变大；当R滑是Rx的十倍甚至几十倍时，表面上看Ux的变化范围大大增加，但实际上，当R左/R右较小时，Ux随着R左/R右变化而急剧变化，而当R左/R右较大时，Ux却几乎无变化，此阶段实际是无效调节。所以在此种情况中，有效调节的范围实际上变小了。所以，当测量电阻时，不强调从0开始调节，且R滑略大于Rx或为Rx的几倍时，比较适合限流式接法。而且，根据闭合电路欧姆定律可知，若R滑相对大一些，R总也会相对大一些，干路电流较小，不但节能，而且能保护电路。

二、电流表内外接法的对比

1.电流表外接法误差分析

(1)电路图及原理

(见表3)(2)图像对比分析选取R真分别为：10Ω，20Ω，30Ω……，令对应电压表1(RV1=15000Ω)读数分别为1.5V，3.0V，4.5V……，得到电阻测量值，填入表4中。再换电压表2(RV2=150000Ω)，测相同的电阻：10Ω，20Ω，30Ω……，同样令对应电压表1(RV1=15000Ω)读数分别为1.5V，3.0V，4.5V……，得到电阻测量值，填入表4中，对比两组测量值相对误差的变化趋势(见图5)。

(2)图像对比分析

选取R真分别为：10Ω，20Ω，30Ω……，令对应电压表1(RV1=15000Ω)读数分别为1.5V，3.0V，4.5V……，得到电阻测量值，填入表4中。再换电压表2(RV2=150000Ω)，测相同的电阻：10Ω，20Ω，30Ω……，同样令对应电压表1(RV1=15000Ω)读数分别为1.5V，3.0V，4.5V……，得到电阻测量值，填入表4中，对比两组测量值相对误差的变化趋势(见图5)。小结：可以看出，采用电流表外接法时，无论是接入电压表1(RV1=15000Ω)还是接入电压表2(RV2=150000Ω)，当待测电阻增大时，测量值的相对误差都变大；接入电压表1相对于接入电压表2所造成的测量值的相对误差更大。故采用外接法测量小电阻时，测量值相对误差较小；外接法的误差来源于电压表的分流作用，当采用的电压表内阻RV较大时(即越接近理想电压表时)，相对误差越小。

2.电流表内接法误差分析

(1)电路图及原理(见表5)

(2)图像对比分析

当电压表阻值分为RA1=0.5Ω，RA2=0.05Ω时，代入以上公式，可得相关数据(见表6)，对比测量值相对误差的变化趋势见图6。小结：可以看出，采用电流表内接法时，无论是接入电流表1(RA1=0.5Ω)还是接入电流表2(RA2=0.05Ω)，当待测电阻增大时，测量值的相对误差都会变小；接入电流表1(RA1=0.5Ω)相对于接入电流表2(RA2=0.05Ω)所造成的测量值的相对误差更大。故当采用内接法测量大电阻时，测量值相对误差较小；内接法的误差来源于电流表的分压作用，当采用的电流表内阻RA较小时(即越接近理想电流表时)，相对误差越小。

3.关于测量电阻是属于“大电阻”还是“小电阻”的判断

由前述可以看出：当测量小电阻时，采用外接法测量值相对误差较小；当测量大电阻时，采用内接法测量值相对误差较小，但问题是：当已知一个待测电阻的估计值时，如何判断此电阻是大电阻还是小电阻？当测量某一阻值为R的电阻时，用外接法测量的相对误差为：δ1=RR+RV；用内接法测量的相对误差为：δ小结：可以看出，采用电流表内接法时，无论是接入电流表1(RA1=0.5Ω)还是接入电流表2(RA2=0.05Ω)，当待测电阻增大时，测量值的相对误差都会变小；接入电流表1(RA1=0.5Ω)相对于接入电流表2(RA2=0.05Ω)所造成的测量值的相对误差更大。故当采用内接法测量大电阻时，测量值相对误差较小；内接法的误差来源于电流表的分压作用，当采用的电流表内阻RA较小时(即越接近理想电流表时)，相对误差越小。3.关于测量电阻是属于“大电阻”还是“小电阻”的判断由前述可以看出：当测量小电阻时，采用外接法测量值相对误差较小；当测量大电阻时，采用内接法测量值相对误差较小，但问题是：当已知一个待测电阻的估计值时，如何判断此电阻是大电阻还是小电阻？当测量某一阻值为R的电阻时，用外接法测量的相对误差为：δ1=RR+RV；用内接法测量的相对误差为：

三、结语

在本次实验专题复习中，笔者利用Excel辅助物理实验器材选择教学。课前备课时，先设计好数据；在课堂上分析原理时，生成各种图表，此过程便于将分压、限流、内接、外接的各种误差变化直观且动态地呈现于学生面前，使其从各种图表信息中体会到相应的物理内涵，看得清、学得实、记得牢。现在很多学校的多媒体设备都很齐全，但通常仅限于教师讲解或是播视频时使用。对此，教师要拓展教学思路，让Excel等软件有效辅助教学，使之较直观地反映物理规律，促进学生对知识的理解与巩固，以实现更有效的教学[2]。

参考文献

[1]教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2017.

[2]方武增.教辅软件进课堂生成成自然—利用Excel软件分析物理题实例[J].物理教学,2017(6):53-54.

作者:方武增 单位:广东省揭阳市惠来慈云实验中学