關(guān)于高中物理《多用電表》一節(jié)中一副插圖的探析
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摘要：高中物理選修3-1教材（人教版）中，多用電表一節(jié)充分體現(xiàn)了新課程三維目標(biāo)的許多特色,筆者實(shí)際教學(xué)中突出這些特色的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)疑問——教材給出的多用電表原理圖與學(xué)生用的實(shí)際電表內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不符合,具體說按原理圖設(shè)計(jì)的電表并不能實(shí)現(xiàn)歐姆檔的多倍率功能。本文通過研究教材和調(diào)查資料對(duì)電路圖進(jìn)行全面的剖析，并設(shè)計(jì)一種新的電路原理圖來說明多用電表歐姆檔是如何實(shí)現(xiàn)多倍率功能的。
論文關(guān)鍵詞：多用電表,歐姆檔,多倍率,電路圖
多用電表是中學(xué)物理教材電學(xué)內(nèi)容的一個(gè)基本點(diǎn)，也是重點(diǎn)。因?yàn)槎嘤秒姳淼脑戆舜�、并�?lián)電路的規(guī)律和閉合電路歐姆定律，而這些規(guī)律是電流計(jì)改裝成電流表、電壓表和歐姆表的理論基礎(chǔ)，更是歷年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)考察的重點(diǎn)。新課程改革中，人教版教材在本節(jié)的編寫上充分體了現(xiàn)新課程理念，擺脫了舊教材中單純理論的推導(dǎo)和儀表結(jié)構(gòu)、原理、使用方法的講解，而是先以例題的形式引入，讓學(xué)生結(jié)合教材中的電路圖（圖1），通過“體驗(yàn)式探究”的方式，來理解歐姆表的工作原理。然后過度到圖2探究如何把三個(gè)單獨(dú)的電壓表、電流表、歐姆表合為一個(gè)單量程多用電表，通過共用表頭讓學(xué)生體會(huì)實(shí)現(xiàn)“多用功能”的巧妙之處。最后的難點(diǎn)是讓學(xué)生掌握如何實(shí)現(xiàn)多量程多用功能的，結(jié)合圖3領(lǐng)悟轉(zhuǎn)換開關(guān)在實(shí)現(xiàn)“多量程”功能上的作用。
筆者教學(xué)中就是把這些難點(diǎn)進(jìn)行梯度化處理的,以探究的方式來完成本節(jié)“歐姆表”、“多用電表”兩模塊內(nèi)容的。但在師生探究多用電表原理時(shí)，學(xué)生通過討論發(fā)現(xiàn)書中的電路圖與實(shí)際的電表內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，并向教師提出疑問：教材的電路圖（圖3）雖然能實(shí)現(xiàn)多功能測(cè)量，即能測(cè)電流、電壓、電阻，而且能實(shí)現(xiàn)測(cè)電流和電壓的多量程功能，但卻不能實(shí)現(xiàn)測(cè)電阻的多量程功能，即不能實(shí)現(xiàn)電阻檔的倍率轉(zhuǎn)換功能。
學(xué)生的提出的兩個(gè)主要問題如下：
1、電路圖中多路電源與實(shí)際表內(nèi)只有一路電源相矛盾
keyimg22、如果實(shí)際電路有多路電源按著教材中的原理圖去設(shè)計(jì)時(shí)，確實(shí)能實(shí)現(xiàn)多倍率功能，但有一個(gè)基本要求：即每路電源的電動(dòng)勢(shì)關(guān)系應(yīng)滿足E=nE1。（E1是×1檔的那條支路電源電動(dòng)勢(shì)）。由此可推知若E1=1.5V，則×10、×100檔的電源分別為15V、150V，而×1K檔的電源電動(dòng)勢(shì)就應(yīng)高達(dá)1500V！顯然這不可能，也很荒謬!任何電表內(nèi)都不可能裝有這么高的電源,還是直流電源!
提出第1個(gè)問題，是因?yàn)閷W(xué)生打開多用電表后發(fā)現(xiàn)確實(shí)表內(nèi)只有一個(gè)含源電路，且通常只裝有一節(jié)或兩節(jié)干電池，即電動(dòng)勢(shì)只有1.5V或3V，這與教材電路圖中的多個(gè)含源支路相矛盾。
提出第2個(gè)問題，是通過分析教材電路圖圖3必然會(huì)得出的結(jié)論。由于虛線框內(nèi)的電路相當(dāng)于一個(gè)安培表，選擇開關(guān)置于3或者4，等于制作了兩個(gè)歐姆表（類似圖1），很顯然這兩個(gè)歐姆表是同一個(gè)安培表改裝的。那么實(shí)際測(cè)電阻時(shí)，只要指針偏角相同，流過兩個(gè)表頭的電流就應(yīng)相等（因?yàn)楸眍^G一樣），且流過電源的總電流——即安培表的電流也應(yīng)相同（因?yàn)榘才啾韮?nèi)部結(jié)構(gòu)一定，流入表頭的電流占總電流的比例也就確定）。不防設(shè)3為×1檔，4為×10檔，顯然多用電表要求用這兩檔測(cè)電阻時(shí)，若指針均指在I0（假設(shè)為半偏）的地方，3檔對(duì)應(yīng)的阻值若為R0，則4檔對(duì)應(yīng)的阻值應(yīng)為10R0。現(xiàn)在就用3檔來測(cè)某個(gè)實(shí)際的電阻（阻值就為R0），首先要進(jìn)行歐姆調(diào)零操作,即短接兩表筆，調(diào)節(jié)電源支路的可調(diào)電阻，使指針滿偏，操作的結(jié)果是歐姆表現(xiàn)在的總內(nèi)阻
R內(nèi)=E/Ig，(由閉合電路歐姆定律Ix=E/(RX+R內(nèi))決定的)；然后測(cè)電阻R0時(shí)，指針剛好半偏，則必有R內(nèi)= R0。同理用4檔來測(cè)另一個(gè)電阻R`X（其阻值為10R0）時(shí)，也要進(jìn)行以上操作，且必有R`內(nèi)=E`/ Ig ，R`內(nèi)=10R0，綜上可知R`內(nèi)=10R內(nèi)，即有E`/Ig= 10E/Ig，顯然要求E`=10E。同理可推：若多用電表還有其它倍率檔，辟如×n（n可以為1、10、100、1K）檔，則必須要增加類似3、4那樣的含源支路，且電動(dòng)勢(shì)大小應(yīng)是E`=nE（E為×1檔支路電源的電動(dòng)勢(shì)）�？梢姲凑战滩脑韴D實(shí)現(xiàn)歐姆檔多倍率功能就必須要滿足E`=nE這一條件。試想一上，若×1檔支路是一節(jié)干電池， E1=1.5V，那么×10檔的支路電池就必須為15V，而×1K檔的電池就會(huì)高達(dá)1500V！這顯然是不可能的！
實(shí)際的學(xué)生電表內(nèi)部是沒有那么多含源電路的，更不可能有那么高的電動(dòng)勢(shì)，但學(xué)生電表又確實(shí)具有歐姆檔多倍率功能的。矛盾產(chǎn)生的原因在哪里呢？通過查找各種廠家多用電表的資料，發(fā)現(xiàn)實(shí)際電路遠(yuǎn)非教材中的示意圖那么簡(jiǎn)單，矛盾的焦點(diǎn)在于實(shí)際的電表歐姆檔的多倍率功能，并不是靠增加含源支路和提高電源電動(dòng)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)，而是靠改變安培表的量程來實(shí)現(xiàn)的！筆者研究后設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路圖（圖4），用它向?qū)W生說明歐姆檔多量程原理，就很容易，也與實(shí)際的電表內(nèi)部結(jié)構(gòu)吻合。本圖相當(dāng)于把三個(gè)量程IA不同的電流表用相同的電源和可調(diào)電阻改裝成了三個(gè)歐姆表。根據(jù)R內(nèi)=E/IA可知，由于IA不同（IA是安培表的滿偏電流，流過總電路而不是流過電流計(jì)的滿偏電流Ig），所以三個(gè)檔所對(duì)應(yīng)的歐姆表內(nèi)阻R內(nèi)是不同的，由閉合電路歐姆定律Ix=E/(RX+R內(nèi))可知，當(dāng)指針指在相同的電流值Ix上，由于R內(nèi)不同，所以RX不同，舉例來說：假設(shè)現(xiàn)在來測(cè)一個(gè)未知電阻RX，剛好使指針半偏。因?yàn)闅W姆刻度線上正中間的刻度值對(duì)應(yīng)的電流為IA/2，所以所測(cè)電阻RX =R內(nèi)，如果測(cè)量前選擇的開關(guān)置3且歐姆調(diào)零后R內(nèi)=15Ω，則說明所測(cè)的RX =15Ω；若開關(guān)置的是2且R內(nèi)=150Ω，則所測(cè)的RX =150Ω；如果開關(guān)置1且R內(nèi)=1500Ω，則RX =1500Ω�？梢�，盡管原來的電流刻度盤一樣，但改裝時(shí)相同電流刻度值I（注：不是電源的總電流，而是流過電流計(jì)的電流）所對(duì)應(yīng)的電阻值RX是不同的，因此原來的一條電流刻度線就可以表示三個(gè)歐姆刻度盤，因而實(shí)現(xiàn)了多倍率功能。
教材中電路圖和本圖的最大區(qū)別在于，是否體現(xiàn)出換檔后電流表的電路變化。對(duì)于前者(見圖3)不論接3檔還是4檔，當(dāng)表頭指針偏轉(zhuǎn)角度相同，電路的總電流也會(huì)相同，由Ix=E/(RX+R內(nèi))知，歐姆調(diào)零時(shí)由于指針都要滿偏，所以電路總電流Ix相等，此時(shí)Ix=E/R內(nèi)，所以要想R內(nèi)不同只有改變E才行，這也是前面學(xué)生發(fā)現(xiàn)的矛盾E=nE1原因所在。對(duì)于后者（圖4）即使表頭指針偏轉(zhuǎn)相同角度，由于換檔導(dǎo)致其他支路與表頭支路的電阻比例關(guān)系已經(jīng)變化，總電流仍然是不同的�？梢�，本圖設(shè)計(jì)一方面保證了換檔后即使指針偏轉(zhuǎn)角度相同，但流經(jīng)電源的總電流也是不同的；同時(shí)也重點(diǎn)保證了換檔后歐姆調(diào)零時(shí)表的總內(nèi)阻會(huì)不同，這就確保了歐姆檔多倍率功能的實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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