劉健智 王思也,2

(1. 湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081; 2. 湖南師大附中梅溪湖中學(xué),湖南 長沙 410205)

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實驗創(chuàng)新引領(lǐng)探究式教學(xué)
——以“閉合電路的歐姆定律”教學(xué)為例

劉健智1王思也1,2

(1. 湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081; 2. 湖南師大附中梅溪湖中學(xué),湖南 長沙 410205)

閉合電路的歐姆定律是高中重點內(nèi)容,如何在用實驗測量出閉合電路的內(nèi)電阻前提下探究出閉合電路的歐姆定律成為本節(jié)教學(xué)的難點．為了解決常見實驗中不盡人意的地方,對實驗進行了創(chuàng)新,主要表現(xiàn)在:改良新課引入實驗更好地引發(fā)學(xué)生的認知沖突;充分實驗論證的基礎(chǔ)上,用原創(chuàng)的自制串聯(lián)干電池組代替電解槽電源,能簡便地測量出內(nèi)電阻,也為推導(dǎo)閉合電路歐姆定律做好了鋪墊．

閉合電路的歐姆定律;實驗創(chuàng)新;探究式教學(xué)

閉合電路的歐姆定律是中學(xué)電學(xué)內(nèi)容的重點和難點,運用到等效替代、比值定義等方法,是部分電路歐姆定律的延續(xù)和發(fā)展,學(xué)生在認知上存在著由錯誤前概念帶來的障礙,需要通過最直觀的實驗探究與數(shù)據(jù)分析來糾正錯誤的前概念．

普通高中物理課程標準(實驗)對本節(jié)課的要求是:知道電源的電動勢和內(nèi)阻,理解閉合電路的歐姆定律．[1]為了讓學(xué)生深刻理解閉合電路歐姆定律,也為了落實三維目標,演示實驗和探究實驗應(yīng)貫穿教學(xué)全過程,這也是教學(xué)的重點．教學(xué)的難點則是:如何測量電源內(nèi)阻與如何運用能量守恒的觀點推導(dǎo)出閉合電路的歐姆定律．筆者根據(jù)人教版教材的特點以及其他教師對“閉合電路的歐姆定律”的教學(xué)設(shè)計方案,結(jié)合新課程理念對實驗進行了創(chuàng)新或改進,希望為廣大教師的教學(xué)提供可參考性的建議．

1 情境激疑:改良實驗更好地引發(fā)學(xué)生的認知沖突

1.1 常見的引入新課實驗

圖1 常見的新課引入實驗

觀察:將4節(jié)1.5V的舊電池串聯(lián)成一個電池組,用電壓表測得該電池組兩極間的電壓為5.5V,然后將一額定電壓為2.5V的小燈泡接入如圖1所示的電路,此時開關(guān)是斷開的．[2]教師提問,閉合開關(guān),小燈泡會怎樣?教師閉合開關(guān),發(fā)現(xiàn)小燈泡非但沒有被燒壞,反而發(fā)光變暗了,由此激發(fā)出學(xué)生強烈的好奇心及學(xué)習(xí)欲望．

優(yōu)點分析: (1) 該實驗?zāi)艹晒Φ匾饘W(xué)生的認知沖突,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣; (2) 保持開關(guān)閉合,測得電池組兩極間電壓變?yōu)?.3V,亦可引出路端電壓與負載之間的關(guān)系,為后續(xù)內(nèi)容教學(xué)埋下伏筆．

缺點分析: (1) 實驗現(xiàn)象不夠明顯,效果不夠突出．該實驗可引發(fā)猜測小燈泡會被燒壞的學(xué)生強烈的認知沖突,而沒有給予猜測小燈泡會發(fā)出很亮的光的學(xué)生以對照; (2) 不能明確地將實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因指向電源含有的內(nèi)阻,學(xué)生只能通過電池是舊的猜測引起如上現(xiàn)象的部分原因是電池內(nèi)阻增加了．

1.2 筆者的改進實驗

為了克服上述實驗的缺點,筆者設(shè)計了如下改進實驗,裝置如圖2所示．電路由開關(guān)、額定電壓為3V的小燈泡以及兩節(jié)均由嶄新的電池組成的電池組構(gòu)成,此時開關(guān)均斷開．教師在介紹了實驗儀器后演示:首先閉合開關(guān)2,小燈泡發(fā)出了明亮的光芒;然后斷開開關(guān)2．接著教師提問,如果閉合開關(guān)1,把它接在一個電動勢為9V的電源上,小燈泡的亮度會怎樣變化?有人說會變得更亮，有人說會被燒壞．最后教師閉合開關(guān)1,學(xué)生發(fā)現(xiàn)小燈泡變暗了．

圖2 改進的新課引入實驗

改進之處:電動勢為9V的電池組內(nèi)部的電路如圖3所示,在由6節(jié)嶄新的干電池所組成的干電池組中間串聯(lián)了一個阻值適當?shù)男‰娮?相當于增大了電池組的內(nèi)阻,其原理同于串聯(lián)干電池電池組,證明將在論文第3部分詳細呈現(xiàn)．電池組底部的結(jié)構(gòu)截面如圖4所示,串聯(lián)的小電阻如圖5線框中所示．

圖3 電池組原理

圖4 電池組底部結(jié)構(gòu)

圖5 電池組中的小電阻

優(yōu)點分析: (1) 更能引發(fā)學(xué)生強烈的認知沖突,并通過實驗現(xiàn)象的對比加深教學(xué)效果; (2) 實驗現(xiàn)象的分析可為后面探究路端電壓與負載的關(guān)系埋下伏筆; (3) 此改良實驗可排除干擾項,直接將問題導(dǎo)向電源的內(nèi)阻,方便教學(xué)內(nèi)容的推進與學(xué)生的理解; (4) 便于首尾呼應(yīng),課堂結(jié)構(gòu)完整，教師可將這一實驗作為謎題,在整堂課的學(xué)習(xí)之后讓學(xué)生自己得出:導(dǎo)致小燈泡非但沒有被燒壞反而發(fā)光還變暗的原因就是,電源的內(nèi)阻很大,降低了小燈泡上的功率．

2 實驗探究:電源“內(nèi)部”的創(chuàng)新

“必須有根據(jù)地證明電源內(nèi)阻的存在并建立電源的等效電路,才能嚴格地推導(dǎo)閉合電路歐姆定律．”[3]閉合電路歐姆定律能充分體現(xiàn)功和能的概念在物理學(xué)中的重要性,在人教版教材中,學(xué)生通過功能關(guān)系的分析建立閉合電路的歐姆定律．如果學(xué)生能夠嫻熟地從功能的角度分析物理過程,對于解決物理問題是很有好處的．因此,幫助學(xué)生理解電路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系是基礎(chǔ)和關(guān)鍵,需要通過實驗來突破．

而實驗突破的關(guān)鍵就是:提供一個電動勢穩(wěn)定且能對內(nèi)阻直接進行測量的電源．

2.1 電解槽電源

在常見實驗方案中,教師們大都采用電解槽電池作為電源與變阻箱、開關(guān)一起構(gòu)成閉合電路進行實驗,通過用電壓表測量出電路的內(nèi)電壓與外電壓,引導(dǎo)學(xué)生找出內(nèi)、外電壓滿足的關(guān)系．在此方案中,在160mL左右的蒸餾水中加入10g氯化銨、3g高錳酸鉀,將其攪拌均勻配成電解液注入“H”型電解槽中,在電解槽左右兩端插入正、負兩極極板,組成化學(xué)電池．再將化學(xué)電池正負兩極與電阻箱串聯(lián),構(gòu)成閉合回路．將電壓表1接在電阻箱兩端,測量外電路電壓,即外電壓;在此化學(xué)電池中,兩極間的狹窄通道相當于內(nèi)電路,將金屬探針置入,用電壓表2測量內(nèi)電壓,如圖6所示．

圖6 用電解槽電源測內(nèi)外電壓

優(yōu)點分析: (1) 能夠直接測量出內(nèi)、外電壓的數(shù)值; (2) 能夠相對直觀地表現(xiàn)出電源的內(nèi)電路; (3) 該電池使用的電解液種類取材豐富,例如可采用“飲料電池”等方案,增加了實驗與生活的聯(lián)系和趣味性; (4) 可用于研究電源電動勢由哪些條件決定等實驗．

缺點分析: (1) 電解槽電源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于攜帶和演示; (2) 此電池的電解液配置不易,且零件較多、較瑣碎,不利于實驗的操作; (3) 本電解槽電源的電動勢大小不能精確控制,且在實驗過程中電動勢不穩(wěn)定,不利于產(chǎn)生精確的實驗結(jié)果; (4) 電源內(nèi)阻不定,電池內(nèi)極之間的距離、電極與電解液的接觸面積、電解液的濃度和電解液的溫度均對電源內(nèi)阻有影響; (5) 使用后需要清洗干凈保存,用時要注意嚴防電解液浸染接線柱,不便于保養(yǎng)．

2.2 改良電解槽電源

上述的電解槽電池在驗證、探究閉合電路的歐姆定律的實驗中,讓直接測量電源內(nèi)、外電壓的數(shù)值這一難題完成了從無到有的突破．經(jīng)過很長時間的發(fā)展,為了不同的實驗?zāi)康?電解槽電池也產(chǎn)生了不同的改良型號，如圖7，圖8所示．

圖7 改良的電解槽電源1

圖8 改良的電解槽電源2

圖8是另一種改良方案．由左右兩個液槽分別與中間空氣受壓調(diào)節(jié)槽(簡稱調(diào)節(jié)槽)聯(lián)成一體,實驗時通過注射器對槽中進行壓氣或抽氣,使得槽中的液體減少或增加達到改變電源電動勢內(nèi)阻的目的,形成了可調(diào)式電源內(nèi)阻實驗電源．

優(yōu)點分析: 優(yōu)點同電解槽電池,同時可對電源輸出功率和內(nèi)阻的關(guān)系進行探究．

缺點分析: (1) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不便學(xué)生理解; (2) 由于難于理解,人為增加了難點,沖突了教學(xué)主要內(nèi)容; (3) 無法精確控制電源內(nèi)阻的改變; (4) 電源電動勢不穩(wěn)定．

2.3 原創(chuàng)設(shè)計:自制串聯(lián)干電池組電源

電解槽電池均通過測量電解槽中不同極板或探針之間的電壓來表示電源外內(nèi)電壓的數(shù)值,其優(yōu)點是能夠直接測量出電源的內(nèi)外電壓,但其缺點也非常明顯:實驗操作難度大，器材保養(yǎng)難度大，學(xué)生理解難度大．至于后續(xù)對電解槽電源的改進,也是以這兩項為主: (1) 調(diào)整電解槽內(nèi)極板的設(shè)置,賦予其更多的職能; (2) 調(diào)整電解槽中間的通道結(jié)構(gòu),增加對電解槽電源內(nèi)電阻的控制．上述兩種改進方法雖然解決了部分實驗中遇到的問題,但仍治標不治本,沒有改善電解槽電池最明顯的缺點．

要想在小小的電源之內(nèi)創(chuàng)新,就必須要徹底拋開電解槽電源這一形式．干電池是生活中最常見的電源,而普通干電池不易測量其內(nèi)電壓,為此,筆者特意設(shè)計、論證并制作了串聯(lián)干電池組電源,如圖9所示．

圖9 串聯(lián)干電池組電源

串聯(lián)干電池組電源是由4節(jié)嶄新的1號電池組成的電池組中間串聯(lián)一個小電阻構(gòu)成．由于嶄新的電池內(nèi)阻非常小,相較于小電阻R0的阻值而言可以忽略不計,因此,小電阻就可以看成是這個自制電源的內(nèi)阻,小電阻兩端的電壓就是內(nèi)電壓．

將串聯(lián)干電池組電源接入電路,與滑動變阻器、開關(guān)構(gòu)成閉合回路,如圖10所示．用這個實驗裝置可以創(chuàng)新性地進行閉合電路歐姆定律的實驗探究教學(xué)．

圖10 閉合電路歐姆定律探究實驗裝置

將2號傳感器接在圖9中接線柱2和接線柱3上,測量內(nèi)電壓;將1號傳感器接在圖9中接線柱1和接線柱4上,測量外電壓．數(shù)據(jù)采集器將電壓傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行處理．在DISLab軟件中建立表格,用U1表示外電壓,U2表示內(nèi)電壓,如表1所示．這樣就能最直觀地得出內(nèi)外電壓的數(shù)值,并引導(dǎo)學(xué)生對閉合電路內(nèi)外電壓的關(guān)系進行探究,得到電源電動勢E=U外+U內(nèi)的關(guān)系，為推導(dǎo)閉合電路的歐姆定律打下基礎(chǔ)(表1中,由于嶄新的干電池電動勢會達到1.6V左右,故內(nèi)外電壓之和接近6.4V)．

表1 探究內(nèi)外電壓之間的關(guān)系

優(yōu)點分析: (1) 能夠直接測量電池組內(nèi)電壓,攻克了普通電池組內(nèi)電壓不能直接測量的難題; (2) 用傳感器采集數(shù)據(jù),利用DISLab處理數(shù)據(jù),做到了與時俱進; (3) 滲透了物理研究中的等效替代思想和研究方法的教育; (4) 激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力、分析實際問題的能力、歸納和處理數(shù)據(jù)的能力; (5) 串聯(lián)干電池組電源的電動勢穩(wěn)定,有利于在一定時間內(nèi)進行多組實驗,保證了實驗數(shù)據(jù)的準確性和有效性;另外,這一性質(zhì)也使得儀器可長期使用,降低了維護成本; (6) 串聯(lián)干電池組電源完美解決了電解槽電源的弊端,做到了操作難度低、器材保養(yǎng)難度低、學(xué)生理解難度低．因此本創(chuàng)新實驗非常適合在課堂教學(xué)中進行推廣．

3 原理論證:配置干電池組中的小電阻

在由4節(jié)干電池所構(gòu)成的電池組中間串聯(lián)一個阻值適當?shù)男‰娮鑂0,由于嶄新的干電池所具有的內(nèi)阻r非常小,相對于這個小電阻R0可以忽略不計,故將R0看做串聯(lián)干電池組電源的內(nèi)阻．

筆者采用如圖11所示的電路對串聯(lián)干電池組電源原理的正確性進行驗證．驗證串聯(lián)干電池組電源原理的正確性,關(guān)鍵在于如何排除干電池內(nèi)阻r對電路中電壓的影響,找出R0恰當?shù)臄?shù)值．

圖11 論證串聯(lián)干電池組內(nèi)阻的正確性

選取電阻箱的不同數(shù)值作為串聯(lián)干電池組電源內(nèi)阻R0的大小、滑動變阻器作為負載R,將電壓表1接在負載兩端測量外電壓,電壓表2接在串聯(lián)干電池組電源內(nèi)阻R0兩端,測量內(nèi)電壓．在斷路時測出電池組電動勢大小約為6V(由于電池使用過一段時間電動勢有所下降,回到1.5V)．現(xiàn)用電阻箱設(shè)定電源內(nèi)阻的大小,閉合開關(guān),讀取電壓表上的數(shù)值U1和U2,改變滑動變阻器阻值的大小得到多組數(shù)據(jù)．

收集若干組數(shù)據(jù),并進行分析后(測量數(shù)據(jù)略)發(fā)現(xiàn):當R0≥50Ω,且外電阻R≥100Ω時,可將r對電路中電壓分布的影響忽略．在實際應(yīng)用中,筆者在串聯(lián)干電池組電源中串聯(lián)阻值為85Ω的小電阻,在圖3新課引入實驗中串聯(lián)的是阻值為20Ω的小電阻．

4 舊瓶新酒:基于創(chuàng)新實驗的閉合電路歐姆定律的推導(dǎo)

4.1 人教版教材的理論推導(dǎo)

人教版教材[4]通過能量守恒對閉合電路歐姆定律進行了推導(dǎo).

如圖12,A為電源正極,B為電源負極,外電路電阻為R,內(nèi)阻為r,閉合電路的電流為I．

(1) 在時間t內(nèi),外電路中電流做功產(chǎn)生的熱為Q外=I2Rt,內(nèi)電路中電流做功產(chǎn)生的熱為

Q內(nèi)=I2rt;

(2)BC和DA是化學(xué)反應(yīng)層．設(shè)兩反應(yīng)層的電動勢之和為E,則時間t內(nèi)非靜電力做功為

W=Eq=EIt．

4.2 基于創(chuàng)新實驗的理論推導(dǎo)

從電動勢與電勢降落的關(guān)系對閉合電路歐姆定律的驗證如下.

如圖12和圖13,教師講解:電路中的電勢隨電流方向而發(fā)生變化,假設(shè)電路中定向移動的是正電荷,用高度來類比電勢高低,觀察電勢的變化情況．正電荷從電源正極出發(fā),經(jīng)過外電路AB(含負載),電勢降低,經(jīng)過電池組BC部分流入內(nèi)電路,電勢發(fā)生“躍升”;正電荷在電源內(nèi)部CD繼續(xù)移動,又經(jīng)過內(nèi)電阻電勢降低,最后通過電池組DA部分回到電源正極,電勢再次“躍升”．

圖12 教材的理論推導(dǎo)

圖13 新實驗的理論推導(dǎo)

(1) 在整個過程中電勢兩次降落之和與兩次“躍升”之和相等．兩次“躍升”之和就等于電源的電動勢．從而得到內(nèi)外、電壓滿足的關(guān)系是

E=U外+U內(nèi).

優(yōu)點分析: (1) 在新實驗下驗證閉合電路的歐姆定律,采用了與教材上相同的圖示卻應(yīng)用了不同的關(guān)系,拓寬了教師的教學(xué)思路,培養(yǎng)了學(xué)生從不同角度思考問題的思維意識; (2) 驗證過程與探究過程緊密結(jié)合、相互印證,便于學(xué)生的理解,同時也讓學(xué)生感受到物理學(xué)研究的科學(xué)性和嚴謹性．

5 突破錯誤前概念:運用閉合電路歐姆定律分析問題

觀察如圖14所示的電路．教師提問,若依次閉合開關(guān)S、S1、S2、S3和S4,小燈泡的亮度是否發(fā)生改變．學(xué)生根據(jù)初中所學(xué)知識,認為電源電壓一定,小燈泡的亮度就不會發(fā)生變化,即錯誤地將問題分析為圖15所示的電路．造成學(xué)生錯誤分析的原因是:未明確路端電壓與電源電動勢的關(guān)系,即從初中而來的外電路中負載兩端電壓等于電源電動勢的錯誤前概念尚未糾正．依次閉合開關(guān),學(xué)生會發(fā)現(xiàn)小燈泡的亮度逐漸降低,這就引起了學(xué)生的思考．此時,教師可將這兩個電路進行比較,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)電源內(nèi)阻對電路中電壓分配造成了影響,從內(nèi)、外電壓這兩個方面進行思考,并認識到負載上的電壓是外電壓(即路端電壓),而不是電源的電動勢．

圖14

圖15

把小燈泡看成純電阻,各個燈泡電阻的阻值均為R,小燈泡的亮度由其上的電功率P=I燈2R決定,而由小燈泡所并聯(lián)成的R總隨燈泡數(shù)的增多而減少．電路中電源的內(nèi)阻是r(不變),根據(jù)閉合電路的歐姆定律，干路上的總電流

R總減少，每個小燈泡電流I減小，從而電功率P減小，即隨著接入的燈泡數(shù)增多，小燈泡發(fā)光反而變暗.另外，此處還可與圖2實驗進行對比，而造成圖2現(xiàn)象的原因則是電源內(nèi)阻r增大了,這也是生活中手電筒用久了亮度會降低的原因．

優(yōu)點分析: (1) 通過對比加深學(xué)生對內(nèi)電壓、外電壓(路端電壓)概念的理解; (2) 在對實驗現(xiàn)象的分析中掌握了對閉合電路歐姆定律的應(yīng)用; (3) 突破了從初中帶來的負載兩端電壓是電源電動勢的錯誤前概念．

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗)[M].北京:人民教育出版社,2003:34.

2 楊東升,臧國東.“閉合電路的歐姆定律”教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2015(20):42-43.

3 楊小平.電源等效電路的建立與閉合電路歐姆定律的導(dǎo)出[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2015(Z1):40-42.

4 人民教育出版社,課程教材研究所等.普通高中課程標準實驗教科書·物理(選修3-1)[M].北京:人民教育出版社,2010:60-62.

本文受湖南省教育科學(xué)規(guī)劃課題(XJK015BGD046)，湖南省哲學(xué)社會科學(xué)項目(11YBB268),湖南師范大學(xué)學(xué)位與研究生教改課題(12JG17)資助.

2017-02-22)