实验创新引领探究式教学<br/>——以“闭合电路的欧姆定律”教学为例

实验创新引领探究式教学
——以“闭合电路的欧姆定律”教学为例

2017-06-27刘健智王思也

物理教师 2017年6期

关键词：欧姆定律电动势内阻

刘健智王思也,2

(1. 湖南师范大学物理与信息科学学院,湖南长沙 410081; 2. 湖南师大附中梅溪湖中学,湖南长沙 410205)

实验创新引领探究式教学
——以“闭合电路的欧姆定律”教学为例

刘健智1王思也1,2

(1. 湖南师范大学物理与信息科学学院,湖南长沙 410081; 2. 湖南师大附中梅溪湖中学,湖南长沙 410205)

闭合电路的欧姆定律是高中重点内容,如何在用实验测量出闭合电路的内电阻前提下探究出闭合电路的欧姆定律成为本节教学的难点．为了解决常见实验中不尽人意的地方,对实验进行了创新,主要表现在:改良新课引入实验更好地引发学生的认知冲突;充分实验论证的基础上,用原创的自制串联干电池组代替电解槽电源,能简便地测量出内电阻,也为推导闭合电路欧姆定律做好了铺垫．

闭合电路的欧姆定律;实验创新;探究式教学

闭合电路的欧姆定律是中学电学内容的重点和难点,运用到等效替代、比值定义等方法,是部分电路欧姆定律的延续和发展,学生在认知上存在着由错误前概念带来的障碍,需要通过最直观的实验探究与数据分析来纠正错误的前概念．

普通高中物理课程标准(实验)对本节课的要求是:知道电源的电动势和内阻,理解闭合电路的欧姆定律．[1]为了让学生深刻理解闭合电路欧姆定律,也为了落实三维目标,演示实验和探究实验应贯穿教学全过程,这也是教学的重点．教学的难点则是:如何测量电源内阻与如何运用能量守恒的观点推导出闭合电路的欧姆定律．笔者根据人教版教材的特点以及其他教师对“闭合电路的欧姆定律”的教学设计方案,结合新课程理念对实验进行了创新或改进,希望为广大教师的教学提供可参考性的建议．

1 情境激疑:改良实验更好地引发学生的认知冲突

1.1 常见的引入新课实验

图1 常见的新课引入实验

观察:将4节1.5V的旧电池串联成一个电池组,用电压表测得该电池组两极间的电压为5.5V,然后将一额定电压为2.5V的小灯泡接入如图1所示的电路,此时开关是断开的．[2]教师提问,闭合开关,小灯泡会怎样?教师闭合开关,发现小灯泡非但没有被烧坏,反而发光变暗了,由此激发出学生强烈的好奇心及学习欲望．

优点分析: (1) 该实验能成功地引起学生的认知冲突,激发学习兴趣; (2) 保持开关闭合,测得电池组两极间电压变为1.3V,亦可引出路端电压与负载之间的关系,为后续内容教学埋下伏笔．

缺点分析: (1) 实验现象不够明显,效果不够突出．该实验可引发猜测小灯泡会被烧坏的学生强烈的认知冲突,而没有给予猜测小灯泡会发出很亮的光的学生以对照; (2) 不能明确地将实验现象产生的原因指向电源含有的内阻,学生只能通过电池是旧的猜测引起如上现象的部分原因是电池内阻增加了．

1.2 笔者的改进实验

为了克服上述实验的缺点,笔者设计了如下改进实验,装置如图2所示．电路由开关、额定电压为3V的小灯泡以及两节均由崭新的电池组成的电池组构成,此时开关均断开．教师在介绍了实验仪器后演示:首先闭合开关2,小灯泡发出了明亮的光芒;然后断开开关2．接着教师提问,如果闭合开关1,把它接在一个电动势为9V的电源上,小灯泡的亮度会怎样变化?有人说会变得更亮，有人说会被烧坏．最后教师闭合开关1,学生发现小灯泡变暗了．

图2 改进的新课引入实验

改进之处:电动势为9V的电池组内部的电路如图3所示,在由6节崭新的干电池所组成的干电池组中间串联了一个阻值适当的小电阻,相当于增大了电池组的内阻,其原理同于串联干电池电池组,证明将在论文第3部分详细呈现．电池组底部的结构截面如图4所示,串联的小电阻如图5线框中所示．

图3 电池组原理

图4 电池组底部结构

图5 电池组中的小电阻

优点分析: (1) 更能引发学生强烈的认知冲突,并通过实验现象的对比加深教学效果; (2) 实验现象的分析可为后面探究路端电压与负载的关系埋下伏笔; (3) 此改良实验可排除干扰项,直接将问题导向电源的内阻,方便教学内容的推进与学生的理解; (4) 便于首尾呼应,课堂结构完整，教师可将这一实验作为谜题,在整堂课的学习之后让学生自己得出:导致小灯泡非但没有被烧坏反而发光还变暗的原因就是,电源的内阻很大,降低了小灯泡上的功率．

2 实验探究:电源“内部”的创新

“必须有根据地证明电源内阻的存在并建立电源的等效电路,才能严格地推导闭合电路欧姆定律．”[3]闭合电路欧姆定律能充分体现功和能的概念在物理学中的重要性,在人教版教材中,学生通过功能关系的分析建立闭合电路的欧姆定律．如果学生能够娴熟地从功能的角度分析物理过程,对于解决物理问题是很有好处的．因此,帮助学生理解电路中的能量转化关系是基础和关键,需要通过实验来突破．

而实验突破的关键就是:提供一个电动势稳定且能对内阻直接进行测量的电源．

2.1 电解槽电源

在常见实验方案中,教师们大都采用电解槽电池作为电源与变阻箱、开关一起构成闭合电路进行实验,通过用电压表测量出电路的内电压与外电压,引导学生找出内、外电压满足的关系．在此方案中,在160mL左右的蒸馏水中加入10g氯化铵、3g高锰酸钾,将其搅拌均匀配成电解液注入“H”型电解槽中,在电解槽左右两端插入正、负两极极板,组成化学电池．再将化学电池正负两极与电阻箱串联,构成闭合回路．将电压表1接在电阻箱两端,测量外电路电压,即外电压;在此化学电池中,两极间的狭窄通道相当于内电路,将金属探针置入,用电压表2测量内电压,如图6所示．

图6 用电解槽电源测内外电压

优点分析: (1) 能够直接测量出内、外电压的数值; (2) 能够相对直观地表现出电源的内电路; (3) 该电池使用的电解液种类取材丰富,例如可采用“饮料电池”等方案,增加了实验与生活的联系和趣味性; (4) 可用于研究电源电动势由哪些条件决定等实验．

缺点分析: (1) 电解槽电源的结构复杂,不利于携带和演示; (2) 此电池的电解液配置不易,且零件较多、较琐碎,不利于实验的操作; (3) 本电解槽电源的电动势大小不能精确控制,且在实验过程中电动势不稳定,不利于产生精确的实验结果; (4) 电源内阻不定,电池内极之间的距离、电极与电解液的接触面积、电解液的浓度和电解液的温度均对电源内阻有影响; (5) 使用后需要清洗干净保存,用时要注意严防电解液浸染接线柱,不便于保养．

2.2 改良电解槽电源

上述的电解槽电池在验证、探究闭合电路的欧姆定律的实验中,让直接测量电源内、外电压的数值这一难题完成了从无到有的突破．经过很长时间的发展,为了不同的实验目的,电解槽电池也产生了不同的改良型号，如图7，图8所示．

图7 改良的电解槽电源1

图8 改良的电解槽电源2

图8是另一种改良方案．由左右两个液槽分别与中间空气受压调节槽(简称调节槽)联成一体,实验时通过注射器对槽中进行压气或抽气,使得槽中的液体减少或增加达到改变电源电动势内阻的目的,形成了可调式电源内阻实验电源．

优点分析: 优点同电解槽电池,同时可对电源输出功率和内阻的关系进行探究．

缺点分析: (1) 结构复杂,不便学生理解; (2) 由于难于理解,人为增加了难点,冲突了教学主要内容; (3) 无法精确控制电源内阻的改变; (4) 电源电动势不稳定．

2.3 原创设计:自制串联干电池组电源

电解槽电池均通过测量电解槽中不同极板或探针之间的电压来表示电源外内电压的数值,其优点是能够直接测量出电源的内外电压,但其缺点也非常明显:实验操作难度大，器材保养难度大，学生理解难度大．至于后续对电解槽电源的改进,也是以这两项为主: (1) 调整电解槽内极板的设置,赋予其更多的职能; (2) 调整电解槽中间的通道结构,增加对电解槽电源内电阻的控制．上述两种改进方法虽然解决了部分实验中遇到的问题,但仍治标不治本,没有改善电解槽电池最明显的缺点．

要想在小小的电源之内创新,就必须要彻底抛开电解槽电源这一形式．干电池是生活中最常见的电源,而普通干电池不易测量其内电压,为此,笔者特意设计、论证并制作了串联干电池组电源,如图9所示．

图9 串联干电池组电源

串联干电池组电源是由4节崭新的1号电池组成的电池组中间串联一个小电阻构成．由于崭新的电池内阻非常小,相较于小电阻R0的阻值而言可以忽略不计,因此,小电阻就可以看成是这个自制电源的内阻,小电阻两端的电压就是内电压．

将串联干电池组电源接入电路,与滑动变阻器、开关构成闭合回路,如图10所示．用这个实验装置可以创新性地进行闭合电路欧姆定律的实验探究教学．

图10 闭合电路欧姆定律探究实验装置

将2号传感器接在图9中接线柱2和接线柱3上,测量内电压;将1号传感器接在图9中接线柱1和接线柱4上,测量外电压．数据采集器将电压传感器采集到的数据传输至计算机进行处理．在DISLab软件中建立表格,用U1表示外电压,U2表示内电压,如表1所示．这样就能最直观地得出内外电压的数值,并引导学生对闭合电路内外电压的关系进行探究,得到电源电动势E=U外+U内的关系，为推导闭合电路的欧姆定律打下基础(表1中,由于崭新的干电池电动势会达到1.6V左右,故内外电压之和接近6.4V)．

表1 探究内外电压之间的关系

优点分析: (1) 能够直接测量电池组内电压,攻克了普通电池组内电压不能直接测量的难题; (2) 用传感器采集数据,利用DISLab处理数据,做到了与时俱进; (3) 渗透了物理研究中的等效替代思想和研究方法的教育; (4) 激发了学生的学习兴趣,培养学生动手操作能力、分析实际问题的能力、归纳和处理数据的能力; (5) 串联干电池组电源的电动势稳定,有利于在一定时间内进行多组实验,保证了实验数据的准确性和有效性;另外,这一性质也使得仪器可长期使用,降低了维护成本; (6) 串联干电池组电源完美解决了电解槽电源的弊端,做到了操作难度低、器材保养难度低、学生理解难度低．因此本创新实验非常适合在课堂教学中进行推广．

3 原理论证:配置干电池组中的小电阻

在由4节干电池所构成的电池组中间串联一个阻值适当的小电阻R0,由于崭新的干电池所具有的内阻r非常小,相对于这个小电阻R0可以忽略不计,故将R0看做串联干电池组电源的内阻．

笔者采用如图11所示的电路对串联干电池组电源原理的正确性进行验证．验证串联干电池组电源原理的正确性,关键在于如何排除干电池内阻r对电路中电压的影响,找出R0恰当的数值．

图11 论证串联干电池组内阻的正确性

选取电阻箱的不同数值作为串联干电池组电源内阻R0的大小、滑动变阻器作为负载R,将电压表1接在负载两端测量外电压,电压表2接在串联干电池组电源内阻R0两端,测量内电压．在断路时测出电池组电动势大小约为6V(由于电池使用过一段时间电动势有所下降,回到1.5V)．现用电阻箱设定电源内阻的大小,闭合开关,读取电压表上的数值U1和U2,改变滑动变阻器阻值的大小得到多组数据．

收集若干组数据,并进行分析后(测量数据略)发现:当R0≥50Ω,且外电阻R≥100Ω时,可将r对电路中电压分布的影响忽略．在实际应用中,笔者在串联干电池组电源中串联阻值为85Ω的小电阻,在图3新课引入实验中串联的是阻值为20Ω的小电阻．

4 旧瓶新酒:基于创新实验的闭合电路欧姆定律的推导

4.1 人教版教材的理论推导

人教版教材[4]通过能量守恒对闭合电路欧姆定律进行了推导.

如图12,A为电源正极,B为电源负极,外电路电阻为R,内阻为r,闭合电路的电流为I．

(1) 在时间t内,外电路中电流做功产生的热为Q外=I2Rt,内电路中电流做功产生的热为

Q内=I2rt;

(2)BC和DA是化学反应层．设两反应层的电动势之和为E,则时间t内非静电力做功为

W=Eq=EIt．

4.2 基于创新实验的理论推导

从电动势与电势降落的关系对闭合电路欧姆定律的验证如下.

如图12和图13,教师讲解:电路中的电势随电流方向而发生变化,假设电路中定向移动的是正电荷,用高度来类比电势高低,观察电势的变化情况．正电荷从电源正极出发,经过外电路AB(含负载),电势降低,经过电池组BC部分流入内电路,电势发生“跃升”;正电荷在电源内部CD继续移动,又经过内电阻电势降低,最后通过电池组DA部分回到电源正极,电势再次“跃升”．

图12 教材的理论推导

图13 新实验的理论推导

(1) 在整个过程中电势两次降落之和与两次“跃升”之和相等．两次“跃升”之和就等于电源的电动势．从而得到内外、电压满足的关系是

E=U外+U内.

优点分析: (1) 在新实验下验证闭合电路的欧姆定律,采用了与教材上相同的图示却应用了不同的关系,拓宽了教师的教学思路,培养了学生从不同角度思考问题的思维意识; (2) 验证过程与探究过程紧密结合、相互印证,便于学生的理解,同时也让学生感受到物理学研究的科学性和严谨性．

5 突破错误前概念:运用闭合电路欧姆定律分析问题

观察如图14所示的电路．教师提问,若依次闭合开关S、S1、S2、S3和S4,小灯泡的亮度是否发生改变．学生根据初中所学知识,认为电源电压一定,小灯泡的亮度就不会发生变化,即错误地将问题分析为图15所示的电路．造成学生错误分析的原因是:未明确路端电压与电源电动势的关系,即从初中而来的外电路中负载两端电压等于电源电动势的错误前概念尚未纠正．依次闭合开关,学生会发现小灯泡的亮度逐渐降低,这就引起了学生的思考．此时,教师可将这两个电路进行比较,引导学生发现电源内阻对电路中电压分配造成了影响,从内、外电压这两个方面进行思考,并认识到负载上的电压是外电压(即路端电压),而不是电源的电动势．