唐柏忠 韓達(dá)炯

(浙江省余姚市第二中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 引言

文獻(xiàn)[1]將DIS應(yīng)用于閉合電路的歐姆定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)，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(fù)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(rèn)為內(nèi)電壓出現(xiàn)負(fù)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(dòng)的探針探究就可以避免出現(xiàn)這種情況．

2 可移式探針實(shí)驗(yàn)

筆者設(shè)計(jì)成可移式探針鉛蓄電池，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 可移式探針鉛蓄電池的實(shí)驗(yàn)裝置

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

筆者給蓄電池充好足夠的電，給電源接上一個(gè)10 Ω的電阻器．用電壓傳感器的負(fù)極跟電源的負(fù)極相連，傳感器的正極跟探針相連，同時(shí)啟動(dòng)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(fù)極沿槽移動(dòng)到正極，這時(shí)計(jì)算機(jī)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(fù)極附近電勢躍升了約0.6 V，然后隨著探針移動(dòng)，電勢逐漸降低，從圖中可以看出大約降低了0.6 V．這個(gè)0.6 V就是內(nèi)電壓，當(dāng)探針移動(dòng)到電源正極附近時(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)

為什么會出現(xiàn)內(nèi)電壓負(fù)值呢？從筆者的可移式探針實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難得出結(jié)論，只有當(dāng)兩個(gè)探針放置在負(fù)極電勢躍升的末端和正極電勢躍升的始端時(shí)，探針間的電壓才是內(nèi)電壓，探針過于遠(yuǎn)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(jìn)去．固定式探針位置放置有點(diǎn)粗略性，探針的位置不一定在負(fù)極電勢躍升的末端和正極電勢躍升的始端，文獻(xiàn)[1]中內(nèi)電壓出現(xiàn)負(fù)值可能原因就是探針太靠近電極了，如圖3所示那樣，這時(shí)兩個(gè)探針之間的電壓就會出現(xiàn)負(fù)值，引起所謂的內(nèi)電壓出現(xiàn)負(fù)值，其實(shí)這時(shí)測量的電壓不再是內(nèi)電壓了，而相應(yīng)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(shí)驗(yàn)者把電解液換成了可樂，造成了蓄電池正負(fù)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(fù)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(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生真正體驗(yàn)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(zhǔn)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(diǎn)．從圖2可以看出，電源電動(dòng)勢為E=E負(fù)+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(shí)驗(yàn)的方法得出了閉合電路的歐姆定律．

我們傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法為用兩個(gè)電壓表分別測量電源內(nèi)部兩個(gè)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(shí)驗(yàn)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(dòng)勢，所以這樣的實(shí)驗(yàn)方法也是很難讓學(xué)生完全信服的．而且很難做到兩個(gè)固定探針的位置為負(fù)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(dòng)勢)，文獻(xiàn)[1]中另外兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也有類似情況．有許多教師可能會解釋這是實(shí)驗(yàn)引起的誤差，其實(shí)這個(gè)誤差不是一般的實(shí)驗(yàn)操作、讀數(shù)引起的誤差，是由于實(shí)驗(yàn)器材本身缺陷或?qū)嶒?yàn)方法不夠科學(xué)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(xué)性問題．所以采用移動(dòng)式探針結(jié)合DIS技術(shù)得出閉合電路的歐姆定律的實(shí)驗(yàn)方法，更具科學(xué)性、準(zhǔn)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(fù)極間的距離改變內(nèi)阻，還可以改變外電阻大小，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著內(nèi)、外電阻的改變，E負(fù)和E正都不會改變，即電源電動(dòng)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(dòng)勢，從而驗(yàn)證閉合電路的歐姆定律．我們的各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都相當(dāng)精準(zhǔn)，完全避免了由于固定探針位置不合理造成的實(shí)驗(yàn)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(fù)值，但這時(shí)的內(nèi)電壓還是正值，不可能出現(xiàn)負(fù)值．如果學(xué)校沒有配備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)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(dāng)好的效果.

閉合電路的歐姆定律這節(jié)內(nèi)容是一個(gè)很好的探究素材，有許多探究點(diǎn)，人教版教材把這么好的探究素材棄之，實(shí)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(shè)計(jì)成探究性教學(xué)課，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，從而培養(yǎng)學(xué)生求真求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，真正落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．