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序论:在您撰写欧姆定律的表述时,参考他人的优秀作品可以开阔视野,小编为您整理的7篇范文,希望这些建议能够激发您的创作热情,引导您走向新的创作高度。
中图分类号:G4
物理结论常用的表达方式有:文字叙述、数学语言表达、特定表示法,初中物理中以文字叙述最为常见。物理结论的表述要求科学、准确,同时必须注意结论的严密性和逻辑性。物理结论的形成通常建立在数据分析和因果关系分析,这两种关系的分析一般采用控制变量的研究方法,如果能知道一个现象的发生是由于某个原因引起的,又能从该现象和某原因之间所存在的数量关系中找出规律,只要把这两个方面概括起来进行描述,就很容易得出实验结论。下面结合欧姆定律的形成和理解,就同学们表述物理结论时出现的错误,谈谈物理结论的准确表述及形成过程。
欧姆定律这一基本规律,是初中电学知识的基础和重点,可以说它是解决电学问题的一把金钥匙。它揭示了电流、电压、电阻三者之间的定量关系,是利用控制变量法在实验的基础上归纳总结出来的。即控制电阻不变,得到通过导体中的电流跟导体两端的电压成正比;控制导体两端的电压不变,得到通过导体中的电流跟导体的电阻成反比。教材(北师大版九年级物理教材)中表述为:导体中的电流,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比。它的表达式为:,表示导体中的电流的大小取决于这段导体两端的电压和这段导体的电阻,当导体两端的电压(U)或导体本身的电阻(R)变化时,通过导体的电流(I)将发生相应的变化。其中电流(I)、电压(U)、电阻(R) 这三个物理量必须是对应于同一导体(或同一段电路)在同一时刻(或同一段时间),也可以说是"一一对应"的,即应用欧姆定律时,必须讲究同一性和同时性。用它进行计算时,带入数据的单位必须统一为国际单位。另外,它还反映了导体两端保持一定的电压,是导体形成持续电流的条件。若导体本身的电阻(R)不为零,两端的电压(U)为零,则通过导体的电流(I)也为零,也就是,给一导体两端不加电压,就没有电流通过;若导体是绝缘体电阻(R)可为无穷大,即使它的两端有电压(U),通过导体的电流(I)也为零,电流无法通过。
而通过欧姆定律得到的变形式表示一段导体两端的电压跟这段导体中的电流之比是一个不变的值,等于这个导体的电阻,它是电阻的计算式,而不是它的决定式。导体的电阻反映了导体本身的一种性质,是表示导体对电流阻碍作用的本领大小,其大小只决定于导体的材料、长度、横截面积和温度,跟导体两端的电压和导体中有无电流无关,不能受数学的思维定势影响。
例题:某同学在做"探究通过导体的电流与电阻的关系"的实验中,收集了一些实验数据如下表,由表内数据可得的结论是:___________。【电压U=3V】
电流I/A
0.3
0.2
0.1
电阻R/Ω
10
15
30
【错误结论之一】当导体两端的电压一定时,导体的电阻跟通过导体的电流成反比。
【病因】颠倒因果关系,犯逻辑错误
【分析 】原因和结果,在物理实验中,通常表现为物理条件和现象,物理条件是原因,物理现象是结果,物理条件的改变引起了物理现象的变化。因此要归纳科学规律,一方面要关注物理条件改变与物理现象变化之间的联系,另一方面还要注意两个物理量的因果关系,不能前后颠倒。由于通过导体的电流跟导体两端的电压和导体的电阻这两个因素有关,因此本实验探究通过导体的电流跟电阻的关系的方法是:保持导体两端电压不变,通过改变导体的电阻,来观察电流的变化情况。电阻的变化是原因,电流的变化是结果。因此,表述这类问题必须首先明确"那是因、哪是果"。
【错误结论之二】当导体两端的电压一定时,导体的电阻越大,导体中的电流就越小。或者,当导体两端的电压一定时,导体的电阻随导体中的电流的增大而减小。
【病因】混淆定量描述与定性分析
【分析】从表中电流、电阻的实验数据的规律表明:当导体两端的电压一定时,导体的电阻增大为原来的几倍,导体中的电流就减小为原来的几分之一。两个物理量之间存在反比关系,属于定量关系,上述错误却表达为×××随×××的增大而减小,属于定性关系,不准确。
【错误结论之三】导体中的电流跟导体的电阻成反比。
【病因】注重结果,忽视条件
【分析】物理结论都有其成立的条件,表达时如果忽视了成立的条件,就是不准确的,甚至是错误的,这类问题常常用控制变量探究问题,分析实验数据时,要分清哪个因素是自变量(引起实验结果变化的原因),哪个因素是因变量(实验结果,其变化是由其它因素的变化引起的),哪个因素是不变量(包括相等的量),最后得出正确结论,其格式一般为"在......不变(或相等)的情况下(条件) ......(结果)"
本人在长期的教学实践中总结出,物理结论的形成一般分为以下四步:
(1)、抓问题。就是通过审题弄清要研究的问题,即研究对象。也就是说首先明确被研究量及相关的各个因素。上述问题研究的是通过导体的电流跟导体的电阻的关系。
(2)、找条件。确定结论成立的条件,即找出题目中给出的条件或控制哪些量不变。上述题目中给出导体两端的电压不变。
(3)、论关系。利用题目中的数据或现象分析物理量之间的变化关系或规律,同时明确物理量之间的因果关系。从表中电流、电阻的数据变化中可以发现:导体的电阻增大为原来的几倍,导体中的电流就减小为原来的几分之一。也就是说通过导体的电流跟导体的电阻成反比。
一、欧姆定律发现历程溯源
2.相同之处
欧姆定律适用于线性元件,如金属等,不适用于非线性元件,如气态导体等。
三、三点质疑
1.线性元件存在吗
材料的电阻率ρ会随其他因素的变化而变化(如温度),从而导致导体的电阻实际上不可能是稳定不变的,也就是说理想的线性元件并不存在。在实际问题中,当通电导体的电阻随工作条件变化很小时,可以近似看作线性元件,但这也是在电压变化范围较小的情况下才成立,例如常用的炭膜定值电阻,其额定电流一般较小,功率变化范围较小。
2.对所有非线性元件欧姆定律都不适合吗
在上述所有表述中都有欧姆定律适用于金属导体之说,又有欧姆定律适用的元件是线性元件之说,也就是说金属是线性材料,而我们知道,白炽灯泡的灯丝是金属材料钨制成的,也就是说线性材料钨制成的灯丝应是线性元件,但实践告诉我们灯丝显然不是线性元件,因此这里的表述就不正确,为了避免这种自相矛盾,许多资料上又说欧姆定律的应用有“同时性”,或者说“欧姆定律不适用于非线性元件,但对于各状态下是适合的”,笔者总觉得这样的解释难以让学生接受,有牵强之意,给教师的教造成难度,既然各个状态下都是适合的,那就是整个过程适合呀。
3.对欧姆定律适合的元件I与R一定成反比吗
I与R成反比必须有“导体两端的电压U相同”这一前提,在这一前提条件下改变导体的电阻R,那么通过导体的电流就会发生变化,因而导体的工作点就发生了变化,其制作材料的电阻率 ρ就随之变化,因此导致电阻又会发生进一步的变化,这样又会导致电流产生进一步的变化,所以实践中多数情况下I与R就不会成严格的反比关系,甚至相差很大。
四、两条教学对策
1.欧姆定律的表述需要改进
其实早就有一些老师对欧姆定律的表述进行过深入的分析,并结合他们自身长期的教学经验,已经提出了欧姆定律的表述的后半部分“I与R成反比”是多余的,应该删除,笔者也赞成这种做法,因为这种说法本身就是不准确的,这也是在上述三种大学普通物理教材中都没有出现这个说法的原因。
通过对欧姆定律发现历程的溯源,可知欧姆当时发现这一电路定律时也没有提出“反比”这一函数关系,只是定量地给出了一个等式,因此,笔者认为欧姆定律的现代表述有必要改进,既要传承欧姆当时的公式,也要符合实际情况,所以笔者认为欧姆定律应该表述为:通过导体的电流强度等于导体两端的电压与导体此时的电阻之比。
那么,为什么连“I与U成正比”也省去呢?当R一定时,I与U成正比是显然的,但如果在欧姆定律的表述中一旦出现“I与U成正比”的说法,学生就会很自然地想到“I与R成反比”,而这种说法是不对的,所以表述中最好不要出现“I与U成正比”和“I与R成反比”这两种说法。
2.线性还是非线性元件的区分不能以材料种类为判断标准
同样是金属材料,钨丝的伏安特性是非线性的,而一些合金材料导体的伏安特性却是非常接近理论线性,如标准电阻。所以我们在区分线性元件还是非线性元件时,不能以导体的材料种类作为判断的标准,而只能通过实验测定,得到I-U图象,以此来作为判断依据。
关键词:欧姆定律;适用范围;微观机理;导电材料;能量转化
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2016)12-0039-2
人教版《普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1》《欧姆定律》一节内容围绕电阻的定义式、欧姆定律和伏安特性曲线三部分展开,图1为教材的两段文字,意思是当金属导体的电阻不变时,伏安特性曲线是一条直线,叫做线性元件,满足欧姆定律;“这些情况”的电流与电压不成正比,是非线性元件,欧姆定律不适用[1]。随后,教材举例小灯泡和二极管的伏安特性曲线,指出两个元件都是非线性元件。在遇到欧姆定律时,不论是年轻教师还是学生常常感到疑惑:欧姆定律适用范围究竟是金属和电解质溶液还是线性元件?小灯泡是金属,又是非线性元件,究竟是否满足欧姆定律?
[导体的伏安特性曲线 在实际应用中,常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U,这样画出的I-U图象叫做导体的伏安特性曲线。对于金属导体,在温度没有显著变化时,电阻几乎是不变的(不随电流、电压改变),它的伏安特性曲线是一条直线,具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件。图2.3-2中导体A、B的伏安特性曲线如图2.3-3所示。
欧姆定律是个实验定律,实验中用的都是金属导体。这个结论对其他导体是否适用,仍然需要实验的检验。实验表明,除金属外,欧姆定律对电解质溶液也适用,但对气态导体(如日光灯管、霓虹灯管中的气体)和半导体元件并不适用。也就是说,在这些情况下电流与电压不成正比,这类电学元件叫做非线性元件。]
1 欧姆定律的由来
1826年4月,德国物理学家欧姆《由伽伐尼电力产生的电现象的理论》,提出欧姆定律:在同一电路中,通过某段导体中的电流跟这段导体两端的电压成正比。欧姆实验中用八根粗细相同、长度不同的板状铜丝分别接入电路,推导出 ,其中s为金属导线的横截面积,k为电导率,l为导线的长度,x为通过导线l的电流强度,a为导线两端的电势差[2]。当时只有电导率的概念,后来欧姆又提出 为导体的电阻,并将欧姆定律表述为“导体中的电流跟导体两端的电压U成正比,跟导体的电阻R成反比。”
关于欧姆定律的m用范围,一直存在争议,笔者认为可以从不同角度进行陈述。
2 欧姆定律的适用范围
2.1 从导电材料看适用范围
欧姆当年通过对金属导体研究得出欧姆定律,后来实验得出欧姆定律也适用于电解质溶液,但不适用于气体导电和半导体元件。
从微观角度分析金属导体中的电流问题,金属导体中的自由电子无规则热运动的速度矢量平均为零,不能形成电流。有外电场时,自由电子在电场力的作用下定向移动,定向漂移形成电流,定向漂移速度的平均值称为漂移速度。电子在电场力作用下加速运动,与金属晶格碰撞后向各个方向运动的可能性都有,因此失去定向运动的特征,又回归无规则运动,在电场力的作用下再做定向漂移。如果在一段长为L、横截面积为S的长直导线,两端加上电压U,自由电子相继两次碰撞的间隔有长有短,设平均时间为τ,则自由电子在下次碰撞前的定向移动为匀加速运动,
2.2 从能量转化看适用范围
在纯电阻电路中,导体消耗的电能全部转化为电热,由UIt=I2Rt,得出 在非纯电阻电路中,导体消耗的电能只有一部分转化为内能,其余部分转化为其他形式的能(机械能、化学能等), 因此,欧姆定律适用于纯电阻电路,不适用于非纯电阻电路。
金属导体通电,电能转化为内能,是纯电阻元件,满足欧姆定律。小灯泡通电后,电能转化为内能,灯丝温度升高导致发光,部分内能再转化为光能,因此小灯泡也是纯电阻,满足欧姆定律。电解质溶液,在不发生化学反应时,电能转化为内能,也遵守欧姆定律。气体导电是因为气体分子在其他因素(宇宙射线或高电压等条件)作用下,产生电离,能量转化情况复杂,不满足欧姆定律。半导体通电时内部发生化学反应,电能少量转化为内能,不满足欧姆定律。电动机通电但转子不转动时电能全部转化为内能,遵从欧姆定律;转动时,电能主要转化为机械能,少量转化为内能,为非纯电阻元件,也不满足欧姆定律。
2.3 从I-U图线看适用范围
线性元件指一个量与另一个量按比例、成直线关系,非线性元件指两个量不按比例、不成直线的关系。在电流与电压关系问题上,线性元件阻值保持不变,非线性元件的阻值随外界情况的变化而改变,在求解含有非线性元件的电路问题时通常借助其I-U图像。
从 知导体的电阻与自由电子连续两次碰撞的平均时间有关,自由电子和晶格碰撞将动能传递给金属离子,导致金属离子的热运动加剧,产生电热。由 知导体的温度升高,τ减小,电阻增大。因此,导体的电阻不可能稳定不变。当金属导体的温度没有显著变化时,伏安特性曲线是直线,满足“电阻不变时,导体中的电流跟导体两端的电压成正比”。理想的线性元件是不存在的,温度降低时,金属导体的电阻减小,当温度接近绝对零度时,电阻几乎为零。小灯泡的伏安特性曲线是曲线,是非线性元件,当灯泡电阻变化时,仍有I、U、R瞬时对应,满足欧姆定律 如同滑动变阻器电阻变化时也满足欧姆定律[3]。
2.4 结论
综上所述,从导电材料的角度看,欧姆定律适用于金属和电解质溶液(无化学反应);从能量转化的角度看,欧姆定律适用于纯电阻元件。对于线性元件,电阻保持不变,导体中的电流跟导体两端的电压U成正比,欧姆定律适用。从物理学史推想,欧姆当年用八根不同铜丝进行实验,应该是研究了电压保持不变时,电流与电阻的关系,以及电阻保持不变时,电流与电压的关系。虽然都是非线性元件,小灯泡是金属材料,是纯电阻元件,满足欧姆定律,二极管是半导体材料,却不满足欧姆定律。因此,线性非线性不能作为欧姆定律是否适用的标准。
3 教材编写建议
“有了电阻的概念,我们可以把电压、电流、电阻的关系写成 上式可以表述为:导体中的电流跟导体两端的电压U成正比,跟导体的电阻R成反比。这就是我们在初中学过的欧姆定律。”[1]笔者以为,欧姆定律的内容是 这个表达式最重要的意义是明确了电流、电压、电阻三个量的关系,而不是其中的正比关系和反比关系,教材没必要对欧姆定律进行正比反比的表述。
“实验表明,除金属外,欧姆定律对电解质溶液也适用,但对气态导体(如日光灯管、霓虹灯管中的气体)和半导体元件并不适用。”教材已明确欧姆定律的适用范围,建议教材将线性元件和非线性元件的概念与欧姆定律的适用范围分开,同时明确线性、非线性不能作为欧姆定律是否适用的标准。
参考文献:
[1]普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京:人民教育出版社,2010.
【关键词】物理;欧姆定律;问题;解题思路
欧姆定律是高中物理电学部分的核心内容,也是高考的重难点内容,同时欧姆定律掌握的好坏会直接影响我们的考试成绩,因此要多用时间将这块知识进行巩固,以取得更高的分数。
1在欧姆定律的学习中常遇到的问题
1.1欧姆定律的使用范围问题
在电路的实验过程中,我会出现忽略导线,电子元件与电源自身的电阻,将整个电路视为纯电阻电路的问题。而欧姆定律通常只适用于导电金属和导电液体,对于气体、半导体、超导体等特殊电路元器件不适用,但我们知道,白炽灯泡的灯丝是金属材料钨制成的,也就是说线性材料钨制成的灯丝应是线性元件,但实践告诉我们灯丝显然不是线性元件,因此这里的表述就不正确,本人为了弄清这里的问题,向老师进行了请教并查阅了相关资料,许多资料上说欧姆定律的应用有“同时性”与“欧姆定律不适用于非线性元件,但对于各状态下是适合的”。但我自身总觉得这样的解释难以接受,有牵强之意,即个人理解为既然各个状态下都是适合的,那就是适合整个过程。
1.2线性元件的存在问题
通过物理学习我们会发现材料的电阻率ρ会随其它因素的变化而变化(如温度),从而导致导体的电阻实际上不可能是稳定不变的,也就是说理想的线性元件并不存在。而在实际问题中,当通电导体的电阻随工作条件变化很小时,可以近似看作线性元件,但这也是在电压变化范围较小的情况下才成立,例如常用的炭膜定值电阻,其额定电流一般较小,功率变化范围较小。
1.3电流,电压与电阻使用的问题
电流、电压、电阻的概念及单位,电流表、电压表、滑动变阻器的使用,是最基础的概念,也是我最容易混淆的内容。电流表测量电流、电压表测量电压、变阻器调节电路中的电流,而电流、电压、电阻的概念是基本的电学测量仪器,另外,欧姆定律只是用来研究电路内部系统,不包括电源内部的电阻、电流等,在学习欧姆定律的过程中,电流表、电压表、导线等电子元器件的影响常常是不考虑在内的,而对于欧姆定律的公式I=UR,I、U、R这三个物理量,则要求必须是在同一电路系统中,且是同一时刻的数值。
2欧姆定律学习中需要掌握的内容
本人在基于电学的基础之上,通过对欧姆定律的解题方式进行分析,个人认为我们需掌握以下内容:了解产生电流的条件;理解电流的概念和定义式I=q/t,并能进行相关的计算;熟练掌握欧姆定律的表达式I=U/R,明确欧姆定律的适用条件范围,并能用欧姆定律解决相关的电路问题;知道什么是导体的伏安特性,什么是线性元件与非线性元件;知道电阻的定义和定义式R=U/I;能综合运用欧姆定律分析、计算实际问题;需要进行实验、设计实验,能根据实验分析、计算、统计物理规律,并能运用公式法和图像法相结合的方法解决问题。
3欧姆定律的解题思路及技巧
3.1加深对欧姆定律内容的理解
在欧姆定律例题分析中,我们比较常见的问题是多个变量的问题,以我自身为例,由于物理理解水平有限,且电压、电流、电阻的概念比较抽象,所以学习难度较大,但我通过相关教学短片的学习,将电阻比喻成“阻碍电流通行的路障,电阻越大路越不好走,电阻越小通过速度则快”的方式,明白了电阻是导体自身的特有属性,其大小是受温度、导体的材料、长度等各方面因素影响的,与其两端的电压跟电流的大小无关,并且明白了电阻不会随着电流或者电压的大小改变而改变。同时我们每一个人都知道对于不同的习题,解决步骤都是不相同的,虽同一问题会有不同的解题方法,但总是离不开欧姆定律这个框架。因此对于一些与电学有关的知识,我一般会利用欧姆定律解决电生磁现象与电功率计算问题。例如:某人做验时把两盏电灯串联起来,灯丝电阻分别为R1=30Ω,R2=24Ω,电流表的读数为0.2A,那么加在R1和R2两端的电压各是多少?我可以根据两灯串联这一关建条件,与U=IR得出:U1=IR1=0.2A×30Ω=6V,U2=IR2=0.2A×24Ω=4.8V,故R1和R2两端电压分别为6V、4.8V的结论。
3.2利用电路图进行进行计算
在解有关欧姆定律的题时,以前直接把不同导体上的电流、电压和电阻代入表达式I=U/R及导出式U=IR和R=U/I进行计算,并把同一导体不同时刻、不同情况下的电流、电压和电阻都代入欧姆定律的表达式及导出式进行计算,因此经常混淆,不便于分析问题。通过后期老师给予我的建议,在解题前我都会先根据题意画出电路图,并在图上标明已知量、数值和未知量的符号,明确需分析的是哪一部分电路,这部分电路的连接方式是串联还是并联,以抓住电流、电压、电阻在串联、并联电路中的特征进行解题。同时,我还会注意开关通断引起电路结构的变化情况,并且回给“同一段电路”同一时刻的I、U、R加上同一种脚标,其中需注意单位的统一与电流表、电压表在电路中的连接情况,以及滑动变阻器滑片移动时电流、电压、电阻的变化情况。
3.3利用电阻进行知识拓展
本着从易到难的原则,我们可从一个电阻的问题进行计算,再扩展到两个电阻、三个电阻,逐渐拓宽我们的思路,让自己找到学习的目标以及方法。比如遇到当定值电阻接在电源两端后电压由U1变为U2,电路中的电流由I1增大到I2,这个定值电阻是多少的问题时,我们可利用欧姆定律的概念ΔU=ΔI・R得到电阻的值,而当难度增加由一个电阻变为两个电阻时,定值电阻与滑动变阻器串联在电压恒定的电源两端,电压表V1的变化量为ΔU1,电压表V2的变化量为ΔU2,电流表的示数为ΔI,在这样的问题上可将变化的问题转化为固定的关系之间的数值,就可简化许多变量问题的计算。当变量变为三个电阻时难度会进一步的增大,我起初认为这是一项不可能完成的任务,所以放弃了这类题,而在经过询问成绩优秀的同学时,才知道可将三个电阻尽量化为两个电阻,通过电压表与电流表的位置将电阻进行合并,以此简化题目。
4总结
简言之,欧姆定律是物理教材中最为重要的电学定律之一,是电学内容的重要知识,也是我们学习电磁学最基础的知识。当然,对于欧姆定律的学习与解题方法,自然不止以上所述方法,因而在具体的学习中,我们要立足于自身实际学习情况来进行方法的选取,突破重难点知识,以找到更好的解题思路。
参考文献:
[1]高飞.欧姆定律在串并联电路中的应用技巧[J].才智,2009(27)
⑴请在方格纸上画出电流随电压变化的图象(应为“图像”,下同)。
⑵分析图象,可得出什么结论?
⑶小明在与其他实验小组同学交流时,又得到了电压为6 V时的相关数据如下表(作者又补写了“表2:U=6V”)所示:分析这些数据,可得出什么结论?
说明:该题没有给出答案。推测的答案应为:
⑴图像如右所示;
⑵电阻一定时,导体中的电流跟导体两端的电压成正比。
⑶电压一定时,导体中的电流跟导体的电阻成反比。
浅见1:分析图像或“表1:R=5Ω ”中的6组对应的3个数据,不仅能够得出教科书里编写的“结论”内容:“电阻一定时,导体中的电流跟导体两端的电压成正比”,而且还可以得出教科书里没有编写的、更具有普遍意义和实用价值的如下3条结论:
对于同一段导体均有:⑴U=IR;⑵I=U/R;⑶R=U/I=定值!
浅见2:我们强调“R=U/I=定值”的意义在于:
⑴它能简明、正确、完整的“表达出:某段导体中的I 跟 U 与 R三者之间的定量关系.”!正如西德5―9(10)年级(国民学校)《物理》课本(塞尔肖夫―乌劳贝尔著、安文铸译,文化教育出版社1982.7.第1次印刷本)第189页里写的:“在一个通电导体上的电压和导体中的电流强度之比是一个固定的值(常数),这个关系叫欧姆定律”!众所周知:欧姆是德国人!对照一下我国物理课本里欧姆定律的条文,应该有所质疑吧!
⑵在常规教学中,人们总把“R = U / I”说成是欧姆定律公式“I = U / R”的变形式或称“导出式”。从上面的分析可知:“R = U / I”与“I = U / R”、同样都是“实验结论表达式”、是并列关系!“R = U / I = 定值”、更是医治“I = U / R,R = U / I(因受“欧姆定律”不科学表述的误导)R跟U 成正比、R跟I成反比”错误观点的灵丹妙药(注:参看课本第29页第6题。欧姆定律的表述,不能丢掉前提条件、只讲实验结果!正确的表述应为:
①“某段电路中的电流,等于这段电路两端的电压除以这段电路的电阻”;或简化为“电路中的电流,等于它两端的电压除以它的电阻”;或“导体中的电流,等于它两端的电压与其电阻的比值”。
②假若非“要保留成什么比”,那么欧姆定律内容只能这样表述:“导体中的电流,当电阻一定时,跟这段导体两端的电压成正比;当两端的电压不变时,跟这段导体的电阻成反比”;或简化为“导体中的电流,跟这段导体两端的电压与这段导体电阻的比值成正比”;或“导体中的电流,跟它两端的电压与其电阻的比值成正比”)。
⑶承认“R = U / I”是一条独立的科学结论,那就为“用伏安法测电阻”的实验原理又提供了一条简明的理论依据:勿须再书写“I = U / R ”(R = U / I)。
浅见3:该探究实验设计的最大错误是:5Ω定值电阻“允许通过的最大电流是1.5A”!通过2.4A电流,它将变成P=UI=I2R=28.8w≈30w的电烙铁啦!此时温度对金属电阻变大的影响可以忽略不计吗?由此可知:“表1:R=5Ω ”里的6组对应的的数据,纯属凭空想象填写的,根本不是真实的实验记录!
浅见4:该探究实验为什么不能采用“低电压、弱电流的设计原则”呢?比如:U值顺次取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2V……,1节干电池足够用啦!则对应的I值依次为:0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24A……。而且完全可以避免表A要选用“0~3A”、表V要选用“0~15V”的大量程!从而能够提高测量的精确度(注:实验室使用的2.5级直流电表,本身允许误差多达“±0.75个分度值”。所以探究时勿须考虑表针偏转多大误差最小)。
浅见5:分析“表2:R=5Ω ”表中前6组数据,不仅能够得出“电压一定时,导体中的电流跟导体的电阻成反比。”――教科书里编写的“结论”内容,而且仍然可以得出教科书里没有编写的、更具有普遍意义和实用价值的如下3条结论:
对于同一段导体均有:⑴U=IR;⑵I=U/R;⑶R=U/I=定值!
论文关键词:解题思路,物理规律,物理概念
解物理题一般来说是根据题目叙述的物理情景和已知条件,运用某个物理规律或几个规律去求出待求量的答案。因此解题思路应该从物理规律中去寻找。从物理规律本身的分析中引出解题思路,是形成解题思路的基本方法。物理规律通常用一个数学公式表述,这个数学公式表述了有关物理量之间的数值关系,称之为某某定律、定理。从定律、定理中找解题思路,就要求分析定律中涉及的每一个物理量的意义和各物理量之间的相互关系。这不但有利于加深对物理概念、物理规律的理解,也有利于抽象思维能力的提高。
现举例说明上述观点。
牛顿第二定律是质点动力学的核心规律,动量定律、动能定理均可从牛顿第二定律导出。所以牛顿第二定律及其导出规律在解质点动力学问题中占有极其重要的地位。当各量都取国际单位制时,牛顿第二定律的数学表达式为F合=ma,公式中F合这一项涉及具体的性质力的规律,如万有引力定律,库仑定律等,涉及力的合成分解,以及矢量运算遵循的平行四边形法则。a这一项涉及匀变速直线运动和匀速圆周运动等运动学方面的有关规律。所以全面掌握牛顿第二定律就掌握了力学中涉及的大多数规律和法则。
牛顿第二定律反映的是物体在力的作用下如何运动的问题,所以应用牛顿第二定律时,首先必须明确研究对象,即确定研究主体,并将其从周围环境中隔离出来(所谓隔离体法)。隔离体法在处理连结体问题时,在大多数情境中是必不可少的,如果取连结体的整体,则仍然是一个确定研究主体的问题。研究主题确定了,公式中的m这一项就定了;第二步即对研究主体进行受力分析,是F合这一项的要求,只有对物体进行正确的受力分析,才能确定其所受的合力;第三步,分析研究主体运动状态的变化,从而由运动学规律确定a;第四步,建立牛顿定律的方程,随后就是解方程和讨论结果了。
综上所述,应用牛顿第二定律解题的四个步骤,不是人为的强加于学生的模式,而是应用牛顿第二定律公式F合=ma本身的需要,这就是由物理规律本身去找解题思路的道理。
再举一个电学的例子。、
欧姆定律I=是电学中一个最基本的公式,使用中要注意式中各量的值确属同一电路或电阻,也就是确属同一研究对象,即U是研究对象两端的电压,R是研究对象的阻值,I是流过研究对象的电流,防止张冠李戴。
我们举一个实例:如图,已知E=2V,r=0.5Ω,R1=2Ω,R2=3Ω,求A、B之间和A、C之间的电压。
分析:对整个闭合电路,由闭合电路欧姆定律,得:
I= (1)
隔离A、B之间的外电路,由部分电路欧姆定律,有
UAB=IRAB=I[] (2)
隔离R3,有
I3= (3)
对节点A,有 I=I1+I3 (4)
隔离R1,有 UAC=I1R1 (5)
由(1)--(5)式,代入数据,得出
UAB=1.5V
UAC=0.5V
由此可以看出,在电路问题中,所谓整体,是指具有共同的干路电流的整个电路;所谓隔离,是指对电路的某一部分或某一元件进行研究,联系各部分电路或元件的是连接处的电压和电流,它们之间的关系由串并联的电流、电压的基本关系确定;欧姆定律既适用于电路整体,也适用于某一部分电路,即电学问题也存在研究对象问题。在研究对象确定好以后,再对确定对象进行有关的物理量分析,从而代入恰当的物理方程进行计算和讨论。
可见,解题思路是在分析物理规律中找出的,解题步骤是应用物理规律的客观需要。严格按照由物理规律本身得出的解题步骤,即用有序思路去解决每一个具体的物理问题,正是为了训练正确的思维方式,提高分析问题的能力,这无疑有助于克服解物理问题时无从下手的困难,有助于克服解题时思维混乱的无序状态。
因此,为了有效地提高学生的思维素质和多方面的能力,应当从最基本之处着手,也就是让学生实实在在地准确地理解和掌握物理概念和物理规律的内涵、意义、相互关系、适用条件以及应用中应注意的问题等,并引导学生去思考、讨论、分析、比较、归纳、总结所学的物理知识,从而逐渐领会和掌握物理学的思想、观点和方法。果能如此,学生就不会被动地在茫茫题海中苦苦追求,而能看清物理知识的经纬,有目的主动巡游。其实这种从规律中引出方法的观点,不但对解决问题、应试有用,对未来大学的学习,甚至在大学以后的工作、生活中也有普遍的意义。
关键词:物理;规律教学;思维
物理规律(包括定律、定理、原理、公式等)反映了物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律,反映了物质运动变化的各个因素之间的本质联系,揭示了物理事物本质属性之间的内在联系,是物理学科结构的核心。整个中学物理是以为数不多的基本概念和基本规律为主干的一个完整体系,物理基本概念是基石,基本规律是中心,基本方法是纽带。要使学生掌握学科的基本结构,就必须让学生学好基本规律。
纵观整个初中物理,可以将物理规律分为以下三类:
1.实验规律
物理学中的很多规律都是在观察和实验的基础上,通过分析归纳总结出来的。我们把它们叫做实验规律。如杠杠平衡原理、欧姆定律、阿基米德原理等。
2.理想规律
有些物理规律不能直接用实验来证明,但是具有足够数量的经验事实。如果把这些经验事实进行整理分析,抓住主要因素,忽略次要因素,推理到理想的情况下,总结出来的规律,这样的规律我们把它叫做理想规律,如牛顿第一定律、真空不能传声等。
3.理论规律
有些物理规律是以已知的事实为根据,通过推理总结出来的,我们把它叫做理论规律。如并联电路中电阻大小的计算等。
怎样才能搞好规律教学呢?
1 联系新旧知识、收集事实依据,学会研究物理规律的方法
物理规律本身反映了物理现象中的相互联系、因果关系和有关物理量间的严格数量关系。因此在物理规律的教学中必须将原来分散学习的有关概念综合起来。只有用联系的观点来引导学生研究新课题提出新问题才能激发学生新的求知欲与新的兴趣。另一方面物理规律本身总是以一定的物理事实为依据的。因此学生学习物理规律也必须在认识、分析和研究有关的物理事实的基础上来进行。尤其是初中学生他们的抽象思维能力不强理解和掌握物理规律更需要有充分的感性材料为基础。
2 建立思维方法,理解物理规律
初中阶段所研究的物理规律一般着重于用文字语言加以表达即用一段话把某一规律的物理意义表述出来,有些规律还用公式加以表达。对于物理规律的文字表述要认真加以分析,使学生真正理解它的含义而不是让学生去死记结论。例如牛顿第一定律这一理想规律的教学就可采用“合理推理法”,即在实验的基础上进行推理想象,由有摩擦的情况推想到无摩擦时的运动情况,最后把这一规律的内容表述出来。在理解时要弄清定律的条件是“物体没有受到外力作用”。还要正确理解“或”这个字的含义,“或”不是指物体有时保持匀速直线运动状态有时保持静止状态,而是指如果物体原来是静止它就保持静止状态,如果物体原来是运动的它就保持匀速直线运动状态;许多理论物理规律的内容可以用数学形式表达出来就是公式。要使学生从物理意义上去理解公式中所表示的物理量之间的数量关系而不能从纯数学的角度加以理解。例如:对于欧姆定律的表达式应当使学生理解这一公式表达了电流的强弱决定于加在导体两端电压的大小和导体本身电阻的大小,即某段电路中电流的大小与这段电路两端的电压成正比与这段电路中的电阻成反比,公式中的I、U、R三个物理量是对同一段电路而言的。把公式进行变换得到电阻的定义式R=U/I。如果不理解公式的物理意义就可能得出“电阻与电压成正比”这一错误的结论。
3 明确物理规律的适用条件和范围
每一个物理规律都是在一定的条件下反映某个物理现象或物理过程的变化规律,而规律的成立是有条件的。因此每一规律的适用条件和范围也是一定的。学生只有明确规律的适用条件和范围才能正确地运用规律来解决问题才能避免乱用规律、乱套公式的现象。例如,欧姆定律I=U/R,适用于金属导体,不适用于高电压的液体导电,不适用于气体导电,不适用于含源电路或含有非线性元件的电路。而且I、U、R必须是同一段电路上的三个物理量。
4 认清关系,加以区别
物理规律总是与许多物理概念紧密联系在一起的,与某些物理规律也是互相关联的,应当使学生把物理规律与同它相关的物理概念和物理规律之间的关系搞清楚。如:牛顿第一定律与物体的惯性虽有联系但二者有本质的区别不能混为一谈。在教学中经常发现学生把惯性与运动状态等同起来,把物体不受外力作用保持原来的运动状态说成是“保持物体的惯性”。我们知道惯性是物体的固有属性,物体无论是静止还是运动、是否受力,任何时候都有惯性。而牛顿第一定律是一个反映这些客观事实的物理规律,两者不能混为一谈。
5 联系实际应用,掌握物理规律