DIS在闭合电路的欧姆定律实验中的拓展应用

韩达炯 唐柏忠

(浙江省余姚市第二中学,浙江 余姚 315400)

DIS(Digital Information System)即数字化信息系统,它利用传感器、数据采集器和计算机系统,进行实验数据采集、数据处理,最终把实验结果直接用图表或图线的形式呈现出来．它具有直观、形象、简便等特点．在闭合电路的欧姆定律教学中笔者基于DIS技术采用可移式探针来演示全电路电势变化情况,直观的实验图像给人一目了然的感觉,取得了良好的教学效果．

1 类比、插图教学的局限性

在闭合电路的欧姆定律的教学中,对于电势变化情况,各种教材有不同的处理方法．人民教育出版社2002版教材以儿童滑梯作为一个比喻,如图1所示,儿童滑梯两端高度差相当于内、外电阻两端的电势差,电源就像升降机,升降机举起的高度相当于电源的电动势．现在还有很多教师采用这个方法,考虑到电源正、负极都有电势跃升,有些教师会采用左右两架电梯说明,沪教2016版教材就做了类似的处理,同时为了避免升降机有上升和下降两个过程的干扰,有些教师改用链动式提升装置．人民教育出版社2004版教材则直接以插图的形式介绍了闭合电路中电势变化情况．如图2所示,在外电路中,沿电流方向电势降低,即外电压,对应图中A→B;在电源内部,正、负极附近沿电流方向电势会“跃升”,即电源电动势,对应图中D→A、B→C,而图中C→D表示沿电流方向电势降低,即内电压．无论类比方法还是插图方式看似“生动”、“形象”地说明了内外电路电势变化情况,但终究不能以实验方式真实地展示给学生,只能以教科书式说教的方式告知学生,学生也只能“似是而非”地接受．

图1 儿童滑梯类比

2 基于DIS的演示实验

为了给学生一个真实的实验体验,可以把DIS技术应用于闭合电路的欧姆定律,以真实实验的形式直观地展示给学生全电路电势变化情况,给人一目了然的感觉．笔者设计成可移式探针铅蓄电池,实验装置如图3所示,跟普通的铅蓄电池相比,多了一根可以移动的探针,容器上面开口处设计了一道槽,探针可以沿槽在正、负极间来回移动,同时为了使电源内阻尽量大一点,连接左右两极的通道设计的相对狭长．

图3 可移式探针铅蓄电池装置

笔者进行了以下实验探索.

图4

(1) 探究电路在开路的情况下的电势变化情况．给蓄电池充好足够的电,不接外电路,直接用电压传感器的负极跟蓄电池的负极相连,传感器的正极跟探针相连,同时启动数据采集器采集电压信号,选用“示波”方式,在电脑窗口中呈现u-t图像．让探针在电解液中从蓄电池的负极移动到正极,这时计算机呈现的就是电源内部的电势变化情况．如图4所示,可以清楚地看到,在电源负极附近电势跃升了大约0.6V,在电源正极附近电势跃升了大约1.5V,这样电势总共跃升了大约2.1V,这个2.1V就是蓄电池的电动势,这样通过DIS技术很直观地展示了电源电动势．

(2) 探究电路在通电情况下的电势变化情况．给电源接上一个10Ω的滑动变阻器,将滑动变阻器全部接入电路,滑动触头移到边上不与滑线接触．同样用电压传感器的负极跟电源的负极相连,传感器的正极跟探针相连,同时启动数据采集器采集电压信号,选用“示波”方式,在电脑窗口中呈现u-t图像．让探针在电解液中从蓄电池的负极沿槽移动到正极,这时计算机显示的就是通电情况下的电源内部电势变化情况．如图5所示,可以清楚地看到,在电源负极附近电势跃升了约0.6V,然后随着探针移动,电势逐渐减低,从图中可以看出大约降低了0.6V．这个0.6V就是内电压,内电压大小跟内阻大小有关,内电阻越大内电压将越大,当然也可能超过0.6V．当探针移动到电源正极附近时电势又突然跃升了约1.5V,这样电源内部电势总的跃升还是约2.1V,也说是电源电动势还是2.1V．接下来把探针移到电源外面,让探针沿滑动变阻器滑线部分从近电源正极处移动到近电源负极处,这时计算机显示的就是通电情况下的外电路的电势变化情况．如图6所示,可以清楚地看到,在外电路中,从电源正极到负极,也就是沿电流方向,电势逐渐降低．这样通过DIS技术,很直观地显示了通电情况下,整个闭合电路中沿电流方向的电势变化情况．

图5

图6

3 结束语

将DIS技术应用于闭合电路的欧姆定律,采用可移式探针演示闭合电路的电势变化实验,让学生真正体验了在内外电路中电势变化情况．比起传统的滑梯类比或插图教科书式的教学,图5、图6直观的实验图像更容易被学生接受、理解．更绝妙的是,传感器精准的测量结果可以轻而易举地得出闭合欧姆定律,化解本节课的难点．从图5、图6可以看出,电源电动势为E=E负+E正=2.1V,U内=0.6V,U外=1.5V,这样显而易见得出E=U内+U外,从而得出E=IR+Ir,即用DIS实验的方法得出了闭合电路的欧姆定律．

我们传统的实验方法为用两个电压表分别测量电源内部两个固定探针间的内电压和电源外部的外电压,然后根据内、外电压的变化规律,得出闭合电路的欧姆定律．相比而言,传统的实验无法演示电源内部电势的跃升,也就是无法测量电源电动势,所以这样的实验方法也是很难让学生完全信服的．更大的问题是固定探针位置的放置,只有当两个探针放置在负极电势跃升的末端和正极电势跃升的始端时,探针间的电压才是内电压,探针过于远离电极,则会漏测部分内电压,探针过于靠近电极,又会把跃升部分的电势测量进去,两种情况都会引起内电压测量值偏小．固定式探针位置放置有点粗略性,很难做到两个固定探针的位置为负极电势跃升的末端或正极电势跃升的始端,探针位置稍有偏差就要造成电压改变,从而造成内外电压之和不等于开路电压(或者说电动势),有许多教师可能会解释这是实验引起的误差．其实这个不是一般的实验操作、读数引起的误差,是由于本身实验器材缺陷或实验方法不够科学引起的.这种测量方法存在一定的科学性问题．沪教2016版教材则改用电压传感器测量电压,但也是用固定探针来测量内电压,也存在同样的问题．有教师用电压表测量电极与探针间的电压来测定电源电动势,如文献[1]、[3],但固定探针所放置的位置是否是电势跃升的末端或始端同样很难断定,这种测定电源电动势的方法也存在一定的科学性问题,相比而言采用可移式探针结合DIS技术得出闭合电路的欧姆定律的方法,更有说服力,更具科学性、准确性．

我们还可以通过改变液面高度、改变正负极间的距离改变内阻,还可以改变外电阻大小,进行多次实验．实验结果显示,随着内、外电阻改变,E负和E正都不会改变,即电源电动势保持不变;U内、U外会发生改变,但U内+U外的值保持不变,始终等于电源电动势,各组实验数据都相当精准,完全避免了由于固定探针位置不合理造成的实验误差．闭合电路的欧姆定律这节内容是一个很好的探究素材,有许多探究点,人教版教材把这么好的探究素材弃之,实为可惜.有了DIS技术采用可移式探针的演示,可以把这节课设计成探究性教学课,培养学生科学探究能力,培养学生求真求实的科学态度,真正落实学科核心素养的培养．

DIS实验简化了实验数据的采集和数据的处理过程,并且实验结果用图像直观地呈现出来,从而大大提高了课堂教学效率．在日常课堂教学中,物理教师可以利用DIS技术来辅助演示实验,充实课堂教学,提高教学质量．教师应该与时俱进,适应教学发展形势,转变教育观念,不断提高自身素质,改进教学方法,丰富教学手段．