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两表内阻均知,内外接法如何选择?(二)‖教研分享系列352

发布:2024-06-11 浏览:38

核心提示:​ 在《两表内阻均知,内外接法如何选择?(一)‖教研分享系列351》中,号主讲述了叶海波教授讲座中的案例及号主就物理模型的看法,表面上是讲物理与生活的关系,实质指出物理学习,特别是高中物理学习,是一种相对抽象的学习,但是物理学科中的抽象学习又需要形象思维的丰富作为基底。 今天,我们继续讨论。为了进一步讨论方便,题例再粘贴如下:​​ 我们讨论的聚焦点是电路中的电表内外接法问题。 注意到,所给电压表量程稍小了一点,为了扩大量程,串联一个固定电阻,继而量程扩大为4V,“新表”内阻为4000欧。又注意到,所给电流

​ 在《两表内阻均知,内外接法如何选择?(一)‖教研分享系列351》中,号主讲述了叶海波教授讲座中的案例及号主就物理模型的看法,表面上是讲物理与生活的关系,实质指出物理学习,特别是高中物理学习,是一种相对抽象的学习,但是物理学科中的抽象学习又需要形象思维的丰富作为基底。
今天,我们继续讨论。
为了进一步讨论方便,题例再粘贴如下:​​ 我们讨论的聚焦点是电路中的电表内外接法问题。
注意到,所给电压表量程稍小了一点,为了扩大量程,串联一个固定电阻,继而量程扩大为4V,“新表”内阻为4000欧。
又注意到,所给电流表内阻也已知,从抽象的理论来看,电表内阻已知,运用伏安法确实可以消除系统误差。
从这个意义上而言,电路设计确实内外接法都可行。
接下来,最重要的是从具体的实践层面来讨论。
由于命题惯性,电表参数仅仅给出量程、内阻信息,事实上还应给出分度值(精度)信息。
关于分度值信息,本题可以从图像数据中作出推断,电压表分度值为0.1V,电流表的分度值为0.01A(如果电表的精度更高,但从坐标纸实际来看,本实验对电表精度要求却不需要太高。
关于“坐标纸与测量工具精度之间的匹配”问题的思考,可参阅《图像法何以减小实验误差?|教研分享系列240》《实验数据图像处理法的意义探寻——全国理综乙卷23题再评析|高考真题一题一评8》)。
下面结合电表实际精度和实际图像进行分析。
① 采用外接接法的讨论 采用外接法,电流表测量电流并非灯泡实际电流,还包含通过电压表的电流。
以最大分流考虑,当电压为3.8V时,电压表分流I=3.8÷4000A=0.95mA,比电流表分度值0.01A小很多。
可见,电压表分流在电流表中根本显示不出来。
也就是说,从电流表分度值实际来看,电压表完全可视为理想电压表。
总之,采用外接法是符合实际的合理方案。
事实上,在这种情况下,电压表造成的系统误差完全淹没在了电流表读数之偶然误差之中。
换一句话说,电流表精度不足,并不需要“计较”电压表分流的影响,即通过扣减电压表分流而消除系统误差的数据处理操作是毫无实际意义的操作。
②采用内接法的讨论 采用内接法,电压表测量电压并非灯泡实际电压,还包含通过电流表的分压。
以最大分压考虑,当电流为0.32A时,电流表分压U=0.32×0.5V=0.16V,比电压表分度值0.1V略大。
可见,电流表分压在电压表中可以显示出来。
也就是说,从电压表分度值实际来看,电流表不宜视为理想电流表。
总之,采用内接法,有必要扣除电流表的分压数值。
由此可见,本题确实可采用外接法,也可以采用内接法。
采用外接法时,电压表可视为理想电压表;采用内接法时,电流表分压可以通过计算扣除。
采用这两种方法,分别绘制的伏安特性曲线在偶然误差允许范围内,应该是完全“重合”的(内接法时,需要对电压数据进行修正)。
讨论到此,可能同仁朋友会认为,采用外接法方案更优,因为相比于内接法,节省了扣除系统误差之数据处理操作步骤。
如果说数据处理需要通过笔算,图像绘图也需要通过手绘,那么采用外接法方案,比采用内接法方案,完成整个实验确实会更省时一些。
评价实验方案的优劣,一般从精确性、安全性、便捷性和经济性四个方面考虑,省时的实验方案自然是便捷的、经济的,能省时自然是更优方案。
然而,如果采用信息技术处理,例如运用exell表格软件处理,实验数据计算和绘图都可以交给电脑处理,在这种条件下,两个方案恐怕用时是一样的。
也就是说,采用信息技术手段,不仅仅比传统手段更有优势,而且还消弭了两方案的优劣差距。
​三、补充讨论 关于伏安法测电阻或绘制伏安特性曲线教学,中学物理课程先后经历了下面几个阶段: ① “毫无差别”的理想电表阶段 所谓理想电表,就是指电表视为理想电表,即电压表内阻视为∞,电流表内阻视为0。
在这种情况下,内外接法没有差别,无需要刻意区分。
初中阶段,物理课程中的电学部分都是这样处理的。
②内阻不确定之非理想电表阶段 所谓内阻不确定之非理想电表,指电表不可视为理想电表,即电压表内阻很大,但不能视为∞,内阻值不确定;电流表内阻较小,但不能视为0,内阻值不确定。
在这种情况下,内外接法有别,认为系统误差需要考虑——尽量选择系统误差更小的接法。
在高中阶段,需要考虑这种情况,以培养学生实验误差分析的能力。
然而,在教学中,存在死记硬背的僵化情况,诸如“小外小、大内大”的口诀就这样产生了。
③内阻已知之非理想电表阶段 据说,高考题专门针对实际教学中的薄弱环节,僵化之处进行命题,这在一定意义上而言,具有引领教学的作用。
于是就出现电表内阻已知的电学实验,因为电表内阻已知,通过串并联规律,可以扣除电表产生的影响,继而消除系统误差。
到了这个阶段,教学又进入了新的“僵化”阶段,在“小外小、大内大”口诀外,又增加了“内阻知,可消差”等口诀。
于是,见到内阻已知的电表,那么就要想到:务必设计可消除系统误差的电路。
④内阻已知的理想电表阶段 如同前述一样的原因,为了进一步突破僵化教学,又出现了内阻已知的理想电表情形。
尽管电表内阻已知,但是电表产生的影响依然可以忽略不计,即电表完全可视为理想电表。
估计2017年这道电学实验题就是如此思考的。
四个阶段,可以用“买菜购物”的“发展史”来比喻。
①没有精确的测量工具阶段 号主小时候,经常出现互相借米的情况,但是每个家庭都没有称,于是就用竹筒来“量”米,只不过借米、还米需要用同一个竹筒来“量”。
对于懵懂无知的人看来,这是非常公平的交易关系。
正如懵懂无知的初中生一样。
②具有较精确的测量工具阶段 显然,用竹筒量米是很不精确的,斤斤计较的人,就会在“压米”“匀米”等手段上占小便宜。
为了不占便宜,随着物质生活的改善,每家每户都购买了称,于是在交易活动中就用了称。
这大概对应高中阶段吧,能够辨别谁在占便宜,怎么占便宜。
③具有不同精度的测量工具阶段 然而,称也有“大小”之别(量程不同、精度不同),在大宗量粮食交易时,就使用大称;在少量粮食交易中,使用小称。
也就是说,根据需要来选择仪器和实验方案。
④ 物质生活极大丰富阶段 随着物质生活的丰富,粮食虽然重要,但很便宜了。
于是,在农村又出现了用竹筒量米的情况,借了还不还无所谓。
在这种情况下,竹筒又被视为理想的测量工具了。
具备上面生活经验的人,理解电路内外接法的四种情况,是不是非常容易? 事实上,关于物理模型教学也是如此,实物的哪些因素可忽略,哪些因素不可忽略,因问题的性质、精度要求的不同而发生变化,继而建构为不同的物理模型。
注意到,“模型建构”进入了课程标准中,于是物理模型思维得到学术上的空前关注。
然而,深居闺阁的学者脱离了物理模型最朴素、最核心的思维逻辑——根据问题的性质、精度要求去忽略次要因素、突出主要因素,最终把物理模型建构问题搞得神乎其神,云里雾里。
(本号对物理模型讨论非常多,有兴趣的朋友可以到本号中使用“物理模型”关键字进行搜索相关文章阅读。
搜索方法请参阅《关于“大明论教”公众号的几个常见问题》。
) 当然,这些学者也未必有意如此,而是脱离生活经验基础的必然结果。
从这个意义上而言,叶教授倡导物理教育生活化的哲学思考,不仅仅具有哲学意义,更有实践价值。

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