陶宗宇，胡玉娟

(合肥師范學院 物理與材料工程學院，安徽 合肥 230601)

高中物理知識點繁多，有時試題考查的知識點超出物理教科書的范圍，此時需要教師在教材教學環(huán)節(jié)之外展開補充教學，以人民教育出版社《普通高中教科書 物理 必修 第三冊》第十二章“電能 能量守恒定律”第三節(jié)“實驗：電池電動勢和內阻的測量”為例進行教材分析[1]。

教材首先拋出問題引導學生思考并設計測定電池電動勢和內阻的方案；隨后介紹通過增加實驗次數并對實驗數據取平均值的方法減少實驗誤差；最后以某次實驗測量結果為例，建立平面直角坐標系，使學生掌握結合圖像判斷各變量中的內在聯(lián)系和變化規(guī)律的方法。但教材未在此章節(jié)涉及“電源最大輸出功率和電源內阻的關系”這一?？贾R點。

本文在教材原有知識點的基礎上，通過增加相關實驗探究，填補了教材中探究電源輸出功率與電源效率的內容缺失。

1 利用滑動變阻器改變燈泡亮度實驗設計

羅元輝[2]指出物理課堂導入不僅要引起學生注意、,更重要的是激發(fā)興趣、啟迪思維。良好的課堂導入環(huán)節(jié)可以使課堂教學更加順利的展開。筆者參考朱紅[3]的觀點，設計了“利用滑動變阻器改變燈泡亮度”實驗作為導入環(huán)節(jié)。通過讓學生觀察實驗現(xiàn)象，提高學生注意力和學習興趣。

1.1 實驗環(huán)節(jié)

實驗器材：小燈泡、單刀開關、滑動變阻器、干電池若干、導線若干。

圖1 利用滑動變阻器改變燈泡亮度

首先，按圖1所示連接實驗器材，斷開開關并將滑動變阻器滑動到最大阻值處；隨后閉合開關將滑動變阻器由右向左緩慢滑動減小阻值并觀察小燈泡亮度變化情況。

通過實驗現(xiàn)象提出問題：1. 小燈泡的亮度與什么因素有關？2. 當滑動變阻器在什么位置時小燈泡亮度最大？

1.2 討論與分析

讓學生對實驗結果進行分組討論，得出“小燈泡亮度是由實際功率決定”這一結果。引導學生思考燈泡亮度的變化與燈泡實際功率的關系，通過觀察和推斷得出電源輸出功率最大時燈泡亮度最大；滑動變阻器所在位置使燈泡亮度最大時電源輸出功率達到最大值。通過引導學生思考如何測算電源輸出功率最大時滑動變阻器阻值大小，引出本節(jié)課探究重點“探究電源最大輸出功率與電路外阻的關系” 。

1.3 反思與評價

趣味性導入實驗吸引了學生的注意力，使他們對課程產生學習興趣和探究動力[4]。教師通過提示和提問加深同學對物理現(xiàn)象的理解和思考，提高課堂學習效率。既可以回顧關于“電功率”的舊知識，也有助于承接新知識的學習；不僅能使學生感受到學以致用的樂趣，還能激發(fā)探索新知識的動力[5]。

2 電源輸出功率與電路外阻關系探究實驗設計

進行數字化實驗驗證猜想。

2.1 實驗環(huán)節(jié)

實驗器材：朗威DISLab、計算機、直流穩(wěn)壓電源、電阻箱、電阻圈、單刀開關、導線、電流傳感器、電壓傳感器。

圖2 電源輸出功率與電路外阻關系探究

為保護電路在干路中串聯(lián)一小電阻r增加電路阻值起限流作用，此時電源內阻為“r”(干電池電阻忽略不計)，選擇電壓6V，r=10Ω，電阻箱R作為電源負載。

2.2 實驗過程與數據分析

(1)將實驗器材如圖2所示連接，同時將電流傳感器和電壓傳感器分別連接數據采集器的“1”“2”接口，并將數據采集器連接至電腦。

(2)設置變量“R”表示電阻箱電阻大小，設置電源電動勢“E”為常量并設為“6V”；

(3)設置電阻箱初始阻值為“1Ω”，調節(jié)電阻箱使電阻慢慢變大，觀察電流值直到數值很小，電流改變量也很小。保存對應的各項變量，在變量“R”一欄輸入電阻阻值；

(4)設置各項公式為“P=U4*I1”“P0=E*I1”“n=P/P0”，自動計算出電源的輸出功率、電源功率和電源的效率。

(5)改變阻值記錄數據

圖3 電流、電壓、電動勢、電源輸出功率、電源功率軟件界面

(6)通過軟件自動生成電源輸出功率與電路外電阻的函數關系圖(圖4)。

圖4 電源輸出功率與電路外阻的線性關系軟件界面

(7)數據分析：由圖像4可知當外阻為10歐姆左右時縱坐標為最大值所以電源輸出功率達到最大。且在圖3中R=10Ω時P=0.9870為最大值，此時通過推斷得出結論：“當電源內阻值等于外阻時電源的輸出功率最大?！?/p>

3 驗證結論

實驗結束后，讓學生結合試驗數據和函數關系圖在組內討論，嘗試用公式證明這個結論，教師在討論期間給予學生指導和提示。討論結束后讓學生利用板書證明結論，教師講評給并出正確的證明步驟，步驟如下：

設電源內阻為“r”，電路外阻為“R”

P=I2R

又 I = E/(R+r)

則 P = (E/R+r)2R = E2R/[(R—r)2+4Rr]

故當 R=r時，電源輸出的功率最大:

Pm = E2/ 4R；

與試驗結果相符，故猜想成立。

且n=P/P0當R=r時n=0.5，當電源輸出功率最大時，且電源效率為50%[6]。

之后綜合學生的疑惑和問題，教師給以講解。最后教師總結本節(jié)課的知識點，幫助學生加快解題速度、提高效率、提高應試能力[7]。

4 結語

本節(jié)實驗課利用朗威DISLab完成，可以快速得到實驗數據并在計算機端以圖表形式呈現(xiàn)[5]。

(1)極大提高課堂效率：在傳統(tǒng)實驗課中記錄數據，分析處理數據的環(huán)節(jié)耗時較多而利用朗威DISlab可以省略這部分時間，使得學生能在一節(jié)課中有更多時間消化吸收知識，而不是花費大量時間采集實驗數據等待實驗結果。

(2)課堂教學更加直觀化：利用數字化實驗中“繪圖”功能通過將X軸設置成某一變量，Y軸設置成另一變量可以迅速生成兩者變量之間的函數關系圖，這種圖像直觀有助于學生產生感性認知，而教師的引導論證有利于學生感性認知到理性認知的升華，利于知識體系的構建和完善，為物理知識學習降壓減負。

(3)實驗過程簡單快捷，傳統(tǒng)實驗教學中若實驗過程冗長、操作繁瑣會導致課堂氣氛變差，老師觀測數據和操作器材的空窗期會丟失對學生注意力和課堂氛圍的把控[8]；數字化實驗的簡單高效可以避免這一情況。

(4)必要的課堂互動可以豐富教學形式，讓學生對知識探索更有參與感提升學生學習主動性，避免課堂上出現(xiàn)單一的“教師講，學生聽”的情形。