用固定探针探究闭合电路的欧姆定律实验值得商榷

唐柏忠 韩达炯

(浙江省余姚市第二中学 浙江 宁波 315400)

1 引言

文献[1]将DIS应用于闭合电路的欧姆定律实验教学，探究了各种情形下的内、外电压变化，但第3组数据出现了内电压负值的情况，而且内、外电压之和也发生了明显变化．作者说明了是由于受电极附近电势跃升的影响，提出了测量电源两极板附近的电势跃升．那么有什么更好的办法避免这种情况呢？笔者认为内电压出现负值是由于探针放置的位置不合理，用固定探针探究闭合电路的欧姆定律值得商榷，如果改用可移动的探针探究就可以避免出现这种情况．

2 可移式探针实验

笔者设计成可移式探针铅蓄电池，实验装置如图1所示.

图1 可移式探针铅蓄电池的实验装置

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．

笔者给蓄电池充好足够的电，给电源接上一个10 Ω的电阻器．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2所示，可以清楚地看到，在电源负极附近电势跃升了约0.6 V，然后随着探针移动，电势逐渐降低，从图中可以看出大约降低了0.6 V．这个0.6 V就是内电压，当探针移动到电源正极附近时电势又突然跃升了约1.5 V，这样电源内部电势总的跃升约2.1 V，这就是电源电动势2.1 V．这样通过DIS技术采用可移式探针很直观地展示了电源内部电势变化情况．

图2 内电路中电势变化图

3 实验分析和总结

为什么会出现内电压负值呢？从笔者的可移式探针实验结果不难得出结论，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．固定式探针位置放置有点粗略性，探针的位置不一定在负极电势跃升的末端和正极电势跃升的始端，文献[1]中内电压出现负值可能原因就是探针太靠近电极了，如图3所示那样，这时两个探针之间的电压就会出现负值，引起所谓的内电压出现负值，其实这时测量的电压不再是内电压了，而相应的外电压测量还是正确的，所以造成内外电压之和发生明显改变．文中用到的J23060可变内阻电池固定探针位置一般不会出现这么大的偏差，主要原因是实验者把电解液换成了可乐，造成了蓄电池正负极电势跃升位置的改变，从而把这种用固定探针测量内电压的弊端更加显露出来了．

图3 内电压出现负值的解释图

将DIS技术用于探究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的变化情况．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电路欧姆定律，化解本节课的难点．从图2可以看出，电源电动势为E=E负+E正=2.1 V，U内=0.6 V，U外=1.5 V，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电路的外电压，然后根据内、外电压的变化规律，得出闭合电路欧姆定律．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．而且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)，文献[1]中另外两组实验数据也有类似情况．有许多教师可能会解释这是实验引起的误差，其实这个误差不是一般的实验操作、读数引起的误差，是由于实验器材本身缺陷或实验方法不够科学引起的，两根固定探针之间的电压未必是真正的内电压，这种测量方法存在一定的科学性问题．所以采用移动式探针结合DIS技术得出闭合电路的欧姆定律的实验方法，更具科学性、准确性、合理性，更有说服力．

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、外电阻的改变，E负和E正都不会改变，即电源电动势保持不变；U内和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，从而验证闭合电路的欧姆定律．我们的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，甚至还可以通过增大内阻，减小外阻的方法，来增大内电压，使电源内部电势降为负值，但这时的内电压还是正值，不可能出现负值．如果学校没有配备数字化实验设备，可用普通的数字多用表，人工测绘电势变化情况，也能取得相当好的效果.

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，完全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，从而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．