唐柏忠 韓達炯

(浙江省余姚市第二中學 浙江 寧波 315400)

1 引言

文獻[1]將DIS應用于閉合電路的歐姆定律實驗教學，探究了各種情形下的內(nèi)、外電壓變化，但第3組數(shù)據(jù)出現(xiàn)了內(nèi)電壓負值的情況，而且內(nèi)、外電壓之和也發(fā)生了明顯變化．作者說明了是由于受電極附近電勢躍升的影響，提出了測量電源兩極板附近的電勢躍升．那么有什么更好的辦法避免這種情況呢？筆者認為內(nèi)電壓出現(xiàn)負值是由于探針放置的位置不合理，用固定探針探究閉合電路的歐姆定律值得商榷，如果改用可移動的探針探究就可以避免出現(xiàn)這種情況．

2 可移式探針實驗

筆者設計成可移式探針鉛蓄電池，實驗裝置如圖1所示.

圖1 可移式探針鉛蓄電池的實驗裝置

跟普通的鉛蓄電池相比，多了一根可以移動的探針，容器上面開口處設計了一道槽，探針可以沿槽在正、負極間來回移動，同時為了使電源內(nèi)阻盡量大一點，連接左右兩極的通道設計的相對狹長．

筆者給蓄電池充好足夠的電，給電源接上一個10 Ω的電阻器．用電壓傳感器的負極跟電源的負極相連，傳感器的正極跟探針相連，同時啟動數(shù)據(jù)采集器采集電壓信號，選用“示波”方式，在電腦窗口中呈現(xiàn)U-t圖像．讓探針在電解液中從蓄電池的負極沿槽移動到正極，這時計算機顯示的就是通電情況下的電源內(nèi)部電勢變化情況．如圖2所示，可以清楚地看到，在電源負極附近電勢躍升了約0.6 V，然后隨著探針移動，電勢逐漸降低，從圖中可以看出大約降低了0.6 V．這個0.6 V就是內(nèi)電壓，當探針移動到電源正極附近時電勢又突然躍升了約1.5 V，這樣電源內(nèi)部電勢總的躍升約2.1 V，這就是電源電動勢2.1 V．這樣通過DIS技術(shù)采用可移式探針很直觀地展示了電源內(nèi)部電勢變化情況．

圖2 內(nèi)電路中電勢變化圖

3 實驗分析和總結(jié)

為什么會出現(xiàn)內(nèi)電壓負值呢？從筆者的可移式探針實驗結(jié)果不難得出結(jié)論，只有當兩個探針放置在負極電勢躍升的末端和正極電勢躍升的始端時，探針間的電壓才是內(nèi)電壓，探針過于遠離電極，則會漏測部分內(nèi)電壓，探針過于靠近電極，又會把躍升部分的電勢測量進去．固定式探針位置放置有點粗略性，探針的位置不一定在負極電勢躍升的末端和正極電勢躍升的始端，文獻[1]中內(nèi)電壓出現(xiàn)負值可能原因就是探針太靠近電極了，如圖3所示那樣，這時兩個探針之間的電壓就會出現(xiàn)負值，引起所謂的內(nèi)電壓出現(xiàn)負值，其實這時測量的電壓不再是內(nèi)電壓了，而相應的外電壓測量還是正確的，所以造成內(nèi)外電壓之和發(fā)生明顯改變．文中用到的J23060可變內(nèi)阻電池固定探針位置一般不會出現(xiàn)這么大的偏差，主要原因是實驗者把電解液換成了可樂，造成了蓄電池正負極電勢躍升位置的改變，從而把這種用固定探針測量內(nèi)電壓的弊端更加顯露出來了．

圖3 內(nèi)電壓出現(xiàn)負值的解釋圖

將DIS技術(shù)用于探究閉合電路的歐姆定律，采用可移式探針演示閉合電路的電勢變化實驗，讓學生真正體驗了在內(nèi)外電路中電勢的變化情況．更絕妙的是，傳感器精準的測量結(jié)果可以輕而易舉地得出閉合電路歐姆定律，化解本節(jié)課的難點．從圖2可以看出，電源電動勢為E=E負+E正=2.1 V，U內(nèi)=0.6 V，U外=1.5 V，這樣顯而易見得出E=U內(nèi)+U外，從而得出E=IR+Ir，即用DIS實驗的方法得出了閉合電路的歐姆定律．

我們傳統(tǒng)的實驗方法為用兩個電壓表分別測量電源內(nèi)部兩個固定探針間的內(nèi)電壓和電源外電路的外電壓，然后根據(jù)內(nèi)、外電壓的變化規(guī)律，得出閉合電路歐姆定律．相比而言，傳統(tǒng)的實驗無法演示電源內(nèi)部電勢的躍升，也就是無法測量電源電動勢，所以這樣的實驗方法也是很難讓學生完全信服的．而且很難做到兩個固定探針的位置為負極電勢躍升的末端或正極電勢躍升的始端，探針位置稍有偏差就要造成電壓改變，從而造成內(nèi)外電壓之和不等于開路電壓(或者說電動勢)，文獻[1]中另外兩組實驗數(shù)據(jù)也有類似情況．有許多教師可能會解釋這是實驗引起的誤差，其實這個誤差不是一般的實驗操作、讀數(shù)引起的誤差，是由于實驗器材本身缺陷或?qū)嶒灧椒ú粔蚩茖W引起的，兩根固定探針之間的電壓未必是真正的內(nèi)電壓，這種測量方法存在一定的科學性問題．所以采用移動式探針結(jié)合DIS技術(shù)得出閉合電路的歐姆定律的實驗方法，更具科學性、準確性、合理性，更有說服力．

我們還可以通過改變液面高度，改變正負極間的距離改變內(nèi)阻，還可以改變外電阻大小，進行多次實驗．實驗結(jié)果顯示，隨著內(nèi)、外電阻的改變，E負和E正都不會改變，即電源電動勢保持不變；U內(nèi)和U外會發(fā)生改變，但U內(nèi)+U外的值保持不變，始終等于電源電動勢，從而驗證閉合電路的歐姆定律．我們的各組實驗數(shù)據(jù)都相當精準，完全避免了由于固定探針位置不合理造成的實驗誤差，甚至還可以通過增大內(nèi)阻，減小外阻的方法，來增大內(nèi)電壓，使電源內(nèi)部電勢降為負值，但這時的內(nèi)電壓還是正值，不可能出現(xiàn)負值．如果學校沒有配備數(shù)字化實驗設備，可用普通的數(shù)字多用表，人工測繪電勢變化情況，也能取得相當好的效果.

閉合電路的歐姆定律這節(jié)內(nèi)容是一個很好的探究素材，有許多探究點，人教版教材把這么好的探究素材棄之，實為可惜，有了DIS技術(shù)采用可移式探針的演示，完全可以把這節(jié)課設計成探究性教學課，培養(yǎng)學生科學探究能力，從而培養(yǎng)學生求真求實的科學態(tài)度，真正落實學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．