第十一章 电路及其应用 学习活动设计二：如何设计基础电路？

第十一章《电路及其应用》学习活动设计二：如何设计基础电路？
　　课堂教学：
　　【任务情境】
　　对比实验，在同样的电路中，使用不同的阻值的定值电阻，一个灯泡比较亮，一个灯泡比较暗，思考为什么有这样的现象。为了使我们的建筑小屋灯光合适，在设计电路的时候，应该如何选择合适的电阻。
　　【学习任务一】设计电路测量导体电阻
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　情境一：选择两个导体，研究导体两端的电压与通过导体的电流大小的变化情况，思考如何设计实验，获得导体两端的电压与通过导体的电流的关系呢？
　　提问1：想要测量电压和电流时，把电流表和电压表同时接入电路有几种接法？每种方法有什么区别？
　　预测学生回答：画出一下两种方式的电路。
　　提示学生：图一中，这种接法叫做电流表的外接法，图二中，这种接法叫做电流表的内接法。
　　预测学生回答：电流表的外接法中，电压表测量的只有待测电阻的电压，但是电流表测量的是待测电阻的电流和电压表的电流，比待测电阻的电流大。电流表的外接法中，电压表测量的是待测电阻和电流表的总电压，比待测电阻的电压大，而电流表测量的只有待测电阻的电流。
　　提问2：请大家结合实验误差对于结果带来的影响，思考什么时候应该选择内接法，什么时候应该选择外接法呢？
　　预测学生回答：待测电阻比较小时，选择外接法，因为当待测电阻远远小于电压表的电阻时，可以忽略电压表的分流。待测电阻比较大时，选择内接法，当待测电阻远远大于电流表的电阻时，可以忽略电流表的分压。
　　情境二：为了测量结果更加准确，测量更多组数据，应该如何设计电路图呢？
　　提问1：我们需要测量多组电压和电流，应该使用滑动变阻器。滑动变阻器接入电路有几种方法，每种方法的优缺点和调节范围各是什么呢？
　　预测学生回答：画出以上两种电路。
　　待测电阻接入滑动变阻器的位置不同，通过调节电路总电阻，进而调整待测电阻的电压和电流的范围，还可以画出以下简化图。
　　提示学生：第一种接入方式叫做限流式接法，第二种接入方式叫做分压式接法。
　　预测学生回答：在限流式电路中，当滑动电阻器的金属片移动到b端，总电阻最大，通过待测电阻的电流最小，则加在待测电阻两端的电压最小，当滑动变阻器移动到a端，滑动变阻器电阻为0，总电阻最小，通过待测电阻的电流最大，则加在待测电阻两端的电压最大，待测电阻两端的电压等于电源电压。因此限流式电路中，通过待测电阻的电流范围是，电压范围是。
　　在分压式电路中，当滑动电阻器的金属片移动到b端，滑动变阻器全部与待测电阻并联，待测电阻的电压最大，等于电源电压，此时的电流也是最大的，当滑动变阻器移动到a端，待测电阻被短路，电压和电流都为0。因此分压式电路中，通过待测电阻的电流范围是，电压范围是。
　　问题提示：可以先分析滑动变阻器的滑片从a滑动到b过程中电压和电流的变化情况，然后分析电流和电压的最大值和最小值。
　　提问2：请大家对比电流和电压的调节范围，试分析在什么情境下选择分压接法，什么情况下选择限流接法？
　　预测学生回答：
　　1.如果电压和电流需要从零开始，需要使用分压式接法。
　　2.若采用限流式接法不能控制电流满足实验条件，比如滑动变阻器阻值调至最大，待测电阻上的电流（或者电压）仍然超过电流表（或者电压表）的量程，或者超过待测电阻的额定电压或电流，则选择分压式接法。
　　3.若待测电阻比滑动变阻器的总阻值大得多，导致在限流电路中，移动滑动变阻器的滑片时，电流和电压的变化范围不够大，此时选择分压式。
　　4.如果两种方式都可以使用，优先选择限流式接法，因为电路更加简单，耗能少。
　　总结：请同学们结合以上分析，画出合适的电路图测量导体的电阻，并进行实验，记录数据。
　　预测学生回答：画出下图电路图。
　　完成实验，并得出U-I图像。
　　设计意图：本部分从测量物理量出发，引导学生思考：电流表和电压表、滑动变阻器怎么接入电路，接入电路的方式有哪些。通过情境分析，培养学生批判性思维和创新思维，通过问题组，引导学生通过动手实验结合理论分析，得出不同方法的区别，实现理论和实际的结合，形成尊重事实、善于质疑的科学态度。
　　【学习任务二】认识常见元件—电阻
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　情境一：选择两个导体，研究导体两端的电压与通过电阻的电流大小的变化情况，如图是一次实验中测量金属导体的U-I图像。
　　提问1：请同学们分析，加在同一个导体上的电压与通过物体的电流有什么关系？如果换一个电阻有什么现象？
　　预测学生回答：对于同一个导体，电压和电流之比是一个定值，不同的导体 的电压和电流的比值不同。
　　提问2：我们用电压和电流之比用R表示，大家观察一下，在图像中我们怎么看R的大小，相同电压下，R越大会出现什么情况？
　　预测学生回答：在图像中，我们用斜率表示R，U-I图像越倾斜说明R越大。如果是两个不同的导体，在相同电压下，R越大的，电流越小。
　　学生讨论总结：R越大，对电流的阻碍作用越大。R的大小不受电压和电流的影响，只与导体有关。R的大小反应了导体对电流的阻碍作用，物理学中把它叫做电阻，电阻的大小与电压电流无关，只与导体有关。
　　设计意图：通过图像分析，培养学生利用图像分析物理概念的能力，培养学生科学论证能力，构建科学知识并促进科学概念的理解和内化。
　　【学习小结】
　　教师：组织学生回答任务情境中的问题。
　　参考答案：在选择导体的时候，要注意导体的电阻对于电路中电流的影响，电阻的大小反应了导体对电流的阻碍作用，导体的电阻是自身的性质，不会随着电压和电流的改变而改变。
　　【学习评价自测】
　　判断以下说法的对错：
　　1.由可知，导体的电阻与导体两端的电压成正比。（ ）
　　答案：错
　　解析：导体的电阻由自身结构决定。
　　2.导体的U-I图像的斜率表示导体的电阻。（ ）
　　答案：对
　　解析：根据公式可知，导体的U-I图像的斜率表示导体的电阻。