“闭合电路欧姆定律”实验教学创新设计
2021-09-10卢定山王志斌柴邵霞
卢定山 王志斌 柴邵霞
摘 要：“闭合电路欧姆定律”是高中物理电学部分重要的物理规律之一，其教学方法一般是传统的理论教学，学生在学习过程中缺乏符合认知规律的情境支持。文章以“闭合电路欧姆定律”为素材，以新课标为指导，利用自制装置让学生亲历科学探究过程，在数据分析中锻炼科学思维，在活动中做真探究，在教学中真正落实核心素养要求。
关键词：闭合电路欧姆定律;创新设计;实验探究
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2021）8-0055-3
1 “闭合电路欧姆定律”教学内容的比较
“闭合电路欧姆定律”是高中物理电学部分最重要的物理规律之一，也是教学难点。人教版、华师大版两版教材中“闭合电路欧姆定律”实验内容分析如表1所示。在教学实践中，应遵循学生的认知规律，在探究过程中引导学生不断发现问题，解决问题。本文对“闭合电路欧姆定律”实验装置进行了创新改造，对教学内容进行了创新设计，把科学探究这一核心素养的培养真正落到实处[1]。
2 “闭合电路欧姆定律”装置的设计与制作
2.1 实验装置的设计
实验器材：电源为J2365可调内阻的半封闭式铅蓄电池;数字电压表V1和V2采用4位数字电压表，可精确到0.001 V;数字电流表A采用4位数字电流表，可精确到0.001 A;电阻箱为ZX21型标准电阻箱。
实验原理示意图如图1所示。
2.2 实验装置的制作
（1）电源改造：在电源正极A右侧约5 mm和电源负极B左侧约5 mm处各开一长约1 cm的狭缝，插入长约15 cm的铜片，作为另一组实验的探针a'和b'[2]。
（2）将数字电压表、数字电流表、电阻箱和电源的接线端集成在示教面板上（图2）。
（3）将配制的密度为1.28 g/cm3的硫酸溶液注入铅蓄电池盒内，将稳压电源输出电压调为2.4 V，对其充电24 h左右备用。
3 实验探究过程
3.1 内电路不变，改变外电路，探究闭合电路遵循的规律
接通电路，改变外电路（调节电阻箱的阻值），记录两电压表示数U和U、电流表的示数I、电阻箱的阻值R，并算出U+U的值（表2）。由电动势概念可知，外电路断路即R无穷大时，外电压等于电动势，故表2中U+U对应的第一行数据即为电动势。
3.1.1 探究电动势与内电压、外电压的关系（表2）
3.1.2 探究内电路是否遵循部分电路欧姆定律
利用表2中的U和I，计算相应的值生成表3，其内电压与内电路电流关系图像如图3所示。
3.1.3 数据分析
（1）分析数据，寻找误差来源
可得ΔE=I·Δr
（2）设计实验，深入探究
由于无法做到使探针无限接近而又不接触电源两极，可以利用探针远离电极来验证我们的推理。若用探针a'、b'替换探针a、b重新实验，则由上述分析知：在电流I相等时，因Δr变大，电动势E与内、外电压测量值之和的差值ΔE较用探针a、b实验时会增大;且随着电流的增大，前后两次ΔE的差别也会变得更大。
改用探针a'、b'测量内电压[4]，改变外电路（调节电阻箱的阻值），重新实验，记录两电压表示数U、电流表的示数I、电阻箱的阻值，数据如表4所示。
通过对表2和表4中数据的对比，我们确定误差是由于探针无法做到无限靠近又不接触两极引起的。因此，实验过程中为了减小误差，电流值应不宜超过60 mA。
3.1.4 总结推导结论
实验中外电路为纯电阻电路一定遵循部分电路欧姆定律。通过实验还得到以下结论：U+
3.2 外电路电阻不变，内电路改变时闭合电路遵循的规律
将探针切换回探针a、b，保持电阻箱阻值R=
3.3 结 论
通过实验探究及数据分析可得，无论是外电路改变，还是内电路改变，在误差允许的范围内均有
则可归纳总结出闭合电路欧姆定律：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。
4 结 语
在实际教学中，我们让学生先按人教版教材中所述进行理论推导，得到闭合电路欧姆定律;再根据笔者设计的方案进行探究，引领学生利用自制装置，小心求证。学生亲历探究过程，在探究过程中通过数据分析发现问题，提高解决问题的能力[1]，并在此过程中培养学生的质疑精神，将提高学生物理学科的核心素养落到实处。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程標准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[2]韩达炯，唐柏忠.DIS在闭合电路的欧姆定律实验中的拓展应用[J].物理教师，2019，40（04）：27-29.
[3]张心悦，康建波，张丽萍.在活动中做真探究——以“闭合电路欧姆定律”为例[J].物理教学探讨，2019，37（02）：13-15.
[4]唐柏忠，韩达炯.用固定探针探究闭合电路的欧姆定律实验值得商榷[J].物理通报，2019（07）：125-126.
（栏目编辑 刘 荣）
