(南京航空航天大學(xué)附屬高級中學(xué)，江蘇 南京 210007)

物理教學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，在實(shí)驗(yàn)過程中，可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法、領(lǐng)悟科學(xué)知識、體驗(yàn)科學(xué)情感、感受科學(xué)精神等.“高中物理課程旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”，物理實(shí)驗(yàn)是有效提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一個重要途徑.但是，與概念規(guī)律課、習(xí)題課相比較，高中物理實(shí)驗(yàn)課相對處于薄弱的地位，這與高中物理學(xué)科特點(diǎn)、與課標(biāo)要求相差較遠(yuǎn).筆者認(rèn)為：應(yīng)從促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展、提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的高度去認(rèn)識和發(fā)揮高中物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)功能.

“伏安法”是電學(xué)測量的基本方法，在經(jīng)歷了“伏安法測電阻”后，學(xué)生對“伏安法”已有所認(rèn)識，知道誤差產(chǎn)生的原因和選擇電流表“外接”或“內(nèi)接”的依據(jù).但是，高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)無論是原理設(shè)計、操作步驟，還是數(shù)據(jù)處理、誤差分析都較為復(fù)雜，對學(xué)生的思維能力要求較高，學(xué)生常常是將知識“生吞活剝”，難以實(shí)現(xiàn)知識的“內(nèi)化”.此時，教師應(yīng)積極發(fā)揮“助學(xué)者”的作用，對關(guān)鍵問題必須進(jìn)行深度剖析，并以符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律為原則進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，以提高學(xué)習(xí)效益.本文對“伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)”中三個重點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行深度剖析，展示以促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展為宗旨的教學(xué)設(shè)計.

1 系統(tǒng)誤差問題——E和r的測量值“偏大”還是“偏小”？

1．1 誤差分析思路

實(shí)驗(yàn)原理不完善是系統(tǒng)誤差的主因，其特征是用同一裝置多次重復(fù)同一實(shí)驗(yàn)時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是同樣“偏大”或“偏小”.分析這類誤差應(yīng)從實(shí)驗(yàn)原理入手，運(yùn)用相關(guān)物理規(guī)律進(jìn)行定性或定量分析.本實(shí)驗(yàn)有兩種電路，電流表外接電路因電壓表分流而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差(如圖1)，電流表內(nèi)接電路因電流表分壓而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差(如圖2).

圖1

圖2

1．2 兩種分析方法

1．2．1 演算法

設(shè)電源電動勢和內(nèi)阻的真實(shí)值為E0和r0，測量值為E和r，電壓表和電流表的示數(shù)為U和I，內(nèi)阻值為RV和RA.

在如圖2所示的電路中，根據(jù)E=U+Ir，可得：E0=E，r=r0+RA.可得到結(jié)論：E=E0，r>r0，電動勢測量值與真實(shí)值相等，內(nèi)阻測量值偏大.

1．2．2 等效法

等效法是物理學(xué)研究的常用方法，先將相關(guān)電表與電源看成一個整體——等效電源，再運(yùn)用電路規(guī)律分析得出結(jié)論.

教學(xué)設(shè)計1：

(1)預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)：幫助學(xué)生建立等效電源模型，通過電路分析，得出結(jié)論.

(2)創(chuàng)設(shè)問題情境：我們將某個電表與電源看成一個整體——等效電源，再進(jìn)行分析.如何在圖1、圖2所示的電路中確定等效電源？怎樣分析？

(3)課堂交流：將圖1電路取如圖3中虛線部分為“等效電源”，其等效電路如圖4所示.“等效電源內(nèi)阻r”是RV與r0的并聯(lián)值.將圖2電路取圖5虛線部分為等效電源，其等效電路如圖6所示，等效電源內(nèi)阻r是RA與r0的串聯(lián)值.

圖3

圖4

圖5

圖6

(4)思想方法滲透：等效電路是等效替代方法在電路分析中的應(yīng)用，在研究電源的輸出功率、分析動態(tài)電路等問題時，常用等效電路簡化問題.等效替代是物理學(xué)研究的重要思維方法之一，在運(yùn)用等效電路進(jìn)行研究的過程中，應(yīng)讓學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)悟等效替代方法，這對提高學(xué)生分析和解決問題的能力有重要作用.

2 電路選用問題——選用電流表“內(nèi)接”還是“外接”？

電流表外接時，E測r真.如僅從系統(tǒng)誤差的結(jié)論看，多數(shù)學(xué)生認(rèn)為應(yīng)選電流表內(nèi)接，理由是誤差小.但我們一般采用電流表外接測電池的電動勢和內(nèi)阻，如何選擇電路是學(xué)生特別糾結(jié)的問題，教師在此應(yīng)幫助學(xué)生解惑.通過引導(dǎo)學(xué)生分析系統(tǒng)誤差，提高對實(shí)驗(yàn)誤差的認(rèn)識，培養(yǎng)減小實(shí)驗(yàn)誤差的能力.

教學(xué)設(shè)計2：

(1)預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)：幫助學(xué)生通過誤差分析理解兩種電路，掌握根據(jù)被測電源的內(nèi)阻值選擇電路的方法.

(2)創(chuàng)設(shè)問題情境：實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計應(yīng)考慮盡量減小誤差，本實(shí)驗(yàn)選用兩種電路，被測電源是干電池，其內(nèi)阻只有幾歐姆，我們該如何選擇？

(4)小結(jié)：測小內(nèi)阻電源適用電流表外接，測大內(nèi)阻電源適用電流表內(nèi)接.電池屬于小內(nèi)阻電源，應(yīng)用電流表外接.如果僅需測電源電動勢，可直接用電壓表測斷路電壓，即為電動勢的值.

(5)思想方法滲透：上述規(guī)律與“伏安法測電阻”中的電流表接法選擇規(guī)律“大內(nèi)小外”(測大阻值時電流表內(nèi)接、測小阻值時電流表外接)是一致的.“伏安法”在兩個不同實(shí)驗(yàn)中的規(guī)律統(tǒng)一性，體現(xiàn)了一種哲學(xué)思想——矛盾的普遍性.

3 U-I圖像問題——如何理解并掌握圖像？

圖像運(yùn)用是高中物理對學(xué)生的重要能力要求.利用電源的U-I圖像分析問題，既直觀，又易判斷，應(yīng)要求學(xué)生理解并掌握圖像法.

3．1 電源的U-I圖像

采用電流表外接時，因電壓表的分流(IV)，當(dāng)電壓表讀數(shù)為U時，通過電源的實(shí)際電流值I0(理論值)與電流表示數(shù)I(實(shí)驗(yàn)值)相差ΔI，由ΔI=I0-I=IV=U/RV知，ΔI隨U的減小而減小，當(dāng)U=0時，ΔI=0，有E/r=E0/r0，U-I圖線如圖7所示.

圖7

采用電流表內(nèi)接時，因電流表的分壓(UA)，當(dāng)電流表示數(shù)為I時，電源兩端的實(shí)際電壓U0(理論值)與電壓表的示數(shù)U(實(shí)驗(yàn)值)相差ΔU，由ΔU=U0-U=UA=IRA知，ΔU隨I的減小而減小，當(dāng)I=0時，ΔU=0，有E=E0，U-I圖線如圖8所示.

3．2 如何掌握圖像

學(xué)生掌握這個圖像的關(guān)鍵，是在理解的基礎(chǔ)上再記憶.通過啟發(fā)引導(dǎo)，讓學(xué)生尋找兩個圖像的共性和個性并進(jìn)行聯(lián)想，運(yùn)用形象記憶法能取得良好效果.教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生掌握了電源的U-I圖像后，對本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的分析很少會出錯.

圖8

教學(xué)設(shè)計3：

(1)預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)：讓學(xué)生通過形象記憶的方法，記住電源U-I圖像的特征，提高學(xué)習(xí)效率.

(2)創(chuàng)設(shè)問題情境：我們通過分析已理解了電源的U-I圖像，如何記憶更高效，請同學(xué)們從圖像的形狀分析，尋找其共性和個性，看看誰的發(fā)現(xiàn)最有價值.

(3)課堂交流：發(fā)現(xiàn)都是“理論圖線在上”，都是一端相交，另一端“開口”，像個“喇叭”.“電流表外接”U-I圖像的“喇叭”開口向上，“電流表內(nèi)接”U-I圖像的“喇叭”開口向下.

(4)思想方法滲透：在物理規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)生如果不能準(zhǔn)確描述物理規(guī)律，就會使問題解決的過程處于低效狀態(tài)，甚至無法解決問題.因此，讓學(xué)生理解并掌握一些較為復(fù)雜的物理圖像特征是必須的.引導(dǎo)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行形象記憶，是高效學(xué)習(xí)的思想方法之一.

參考文獻(xiàn)：

王高.把握原理 培養(yǎng)能力 提高素養(yǎng)——“描繪小燈泡伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的探討 .物理之友，2014,30(4).

張莉，錢呈祥.2014年高考實(shí)驗(yàn)“測定電源的電動勢及內(nèi)阻”分析與拓展 .物理之友，2014,30(7).