《閉合電路的歐姆定律》教學(xué)設(shè)計(jì)

徐琪+李飛躍

摘 ?要：通過(guò)制造強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，利用定量和定性實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生為主體，在教師的引導(dǎo)下，成功地探究閉合電路歐姆定律規(guī)律，在學(xué)習(xí)過(guò)程中提高了學(xué)生的物理學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：生活;矛盾;設(shè)計(jì);理論應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2015）9-0004-5

《閉合電路歐姆定律》是《高中物理選修3-1》第二章第七節(jié)的內(nèi)容。它是這一章的核心內(nèi)容，既能使學(xué)生從部分電路的認(rèn)知上升到全電路規(guī)律的掌握，又能從靜態(tài)電路的計(jì)算提高到對(duì)含電源電路的動(dòng)態(tài)分析及推演。同時(shí)，閉合電路歐姆定律能夠充分體現(xiàn)功和能的概念在物理學(xué)中的重要性，是進(jìn)一步理解和學(xué)習(xí)功能關(guān)系的好素材。

1 ? ?背景分析

學(xué)生通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，理解了靜電力做功與電荷量、電勢(shì)差的關(guān)系，了解了靜電力做功與電能轉(zhuǎn)化的關(guān)系。通過(guò)本章第一節(jié)和第二節(jié)的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)了電源的特點(diǎn)，從能量轉(zhuǎn)化的角度了解了電源電動(dòng)勢(shì)，知道電源有內(nèi)阻，并處理了部分電路歐姆定律的相關(guān)電路問(wèn)題，已經(jīng)具備了通過(guò)功能關(guān)系分析、建立閉合電路的歐姆定律，并應(yīng)用閉合電路的歐姆定律分析問(wèn)題的知識(shí)與技能。

本節(jié)的難點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)路端電壓、內(nèi)電壓、電源電動(dòng)勢(shì)的理解。如何突破這個(gè)難點(diǎn)？教材中直接用理論推導(dǎo)，再間接利用路端電壓與負(fù)載的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，很難讓學(xué)生信服。由于初中的學(xué)習(xí)中認(rèn)為電源兩端電壓為定值，學(xué)生很自然地認(rèn)為電源兩端電壓的大小就應(yīng)該等于電源電動(dòng)勢(shì)。作為高二的同學(xué)，他們已經(jīng)具備了一定的抽象思維能力，不再滿足于簡(jiǎn)單的定性介紹，更樂(lè)于定量求證。因此，在條件允許的情況下，定量的探究將更符合并有利于學(xué)生的能力發(fā)展。

2 ? ?設(shè)計(jì)思想

遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、重視實(shí)驗(yàn)探究、重視方法的教學(xué)是新課程的教學(xué)理念，這也是本節(jié)課的核心指導(dǎo)思想。

本節(jié)課主要的設(shè)計(jì)思想有以下幾個(gè)方面：

1）以引入實(shí)驗(yàn)為線索，通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)兩種物理學(xué)的研究方法為主線，引導(dǎo)學(xué)生自主思考得出規(guī)律，讓學(xué)生在體驗(yàn)定律形成過(guò)程中所蘊(yùn)藏的豐富思想、方法的同時(shí)獲得成功的愉悅。

①引入實(shí)驗(yàn)成功制造認(rèn)知沖突，并以該實(shí)驗(yàn)為線索，貫穿全課，使整節(jié)課結(jié)構(gòu)更清晰。

②通過(guò)教師探究實(shí)驗(yàn)和學(xué)生定性分析實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生可以直觀地得到科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2）對(duì)理論推導(dǎo)進(jìn)行改進(jìn)。

書(shū)中利用純電阻電路的能量守恒關(guān)系推導(dǎo)出E=Ir+IR，從而得出閉合電路歐姆定律的表達(dá)式，以及E=U外+U內(nèi)。這種順序的推導(dǎo)會(huì)造成學(xué)生對(duì)閉合電路關(guān)系普適性的認(rèn)知缺失。本節(jié)課大膽對(duì)理論推導(dǎo)進(jìn)行改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)能量守恒和功能轉(zhuǎn)化的關(guān)系，利用電源非靜電力做功和內(nèi)外電路靜電力做功和相等，推導(dǎo)出E=U外+U內(nèi)。再進(jìn)一步提出，對(duì)所有電源而言有E=U外+Ir，進(jìn)一步縮小范圍得出純電阻電路中E=IR+Ir，從而推導(dǎo)出I=。

3）通過(guò)開(kāi)放性情景設(shè)置，將物理課堂延伸到課外生活，并學(xué)以致用，在情感、態(tài)度與價(jià)值觀上使學(xué)生的思想得到提升。

3 ? ?教學(xué)流程

4 ? ?教學(xué)過(guò)程

4.1 ? ?環(huán)節(jié)一：實(shí)驗(yàn)引入

1）兩張電池圖片，觀看標(biāo)示，引出問(wèn)題。

教師：投影兩張電池的圖片，一個(gè)是1.5 V的干電池，一個(gè)是9 V的層疊電池，所標(biāo)示的1.5 V和9 V表示電源的哪個(gè)參量？它的物理意義是什么？

學(xué)生：表示電源的電動(dòng)勢(shì)，描述電源非靜電力做功本領(lǐng)。1.5 V表示電源把1 C的正電荷從電源負(fù)極搬運(yùn)到電源正極，非靜電力做功1.5 J，也就是把1.5 J的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為了1.5 J的電能。

教師：9 V和1.5 V的電池，哪一個(gè)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)更強(qiáng)？

2）分別用3 V與9 V的電池對(duì)同一燈泡供電，引出電源內(nèi)阻分壓。

演示：用兩節(jié)干電池，總電動(dòng)勢(shì)為3 V，給額定電壓為3.8 V的小燈泡供電，觀察它的亮度。

教師：如果用9 V電池直接給小燈泡供電會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

學(xué)生：爆了（燒毀），燈泡會(huì)特別亮然后燒壞。

教師：是不是這樣呢？我們用實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)說(shuō)話（如圖2所示電路）。

演示：用9 V電源給燈泡供電，燈泡亮度反而更暗。（引起學(xué)生思維沖突）

教師：在電路完全相同的情況下，只是把3 V的電池?fù)Q成了9 V的電池，燈泡卻反而變暗了，這是為什么？難道電池壞了？

演示：用數(shù)字電壓表分別測(cè)定未接入電路時(shí)，兩個(gè)電源兩端的電壓，請(qǐng)同學(xué)讀出示數(shù)。發(fā)現(xiàn)兩節(jié)干電池兩端的電壓為3.05 V，層疊電池兩端的電壓為9.67 V。（進(jìn)一步引起學(xué)生思維沖突）

教師：為什么電動(dòng)勢(shì)大的電源給小燈泡供電，燈泡反而更暗？你們猜想可能的原因是什么？

學(xué)生：可能是因?yàn)殡姵乇旧碛袃?nèi)電阻，由于內(nèi)阻分壓，造成9 V的電池實(shí)際給燈泡提供的電壓更小。

教師：要想很好地解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就需要先來(lái)學(xué)習(xí)今天我們要研究的內(nèi)容——閉合電路的歐姆定律。（引入新課）

教師：首先，我們來(lái)學(xué)習(xí)一下什么是閉合電路，以及閉合電路的組成。

教師：導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、燈泡、電池的正負(fù)極，這一部分處在電源外部的電路，叫外電路。電源兩極板間的電壓稱為路端電壓（外電壓）。

在電池內(nèi)部，電池負(fù)極附近到電池正極附近，這一部分叫內(nèi)電路。電路內(nèi)部電阻上的分壓稱為內(nèi)電壓。

接下來(lái)我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，來(lái)探究一下電源外部電路的電壓和電源內(nèi)電路電壓之間有什么關(guān)系。

4.2 ? ?環(huán)節(jié)二：探究U外與U內(nèi)的關(guān)系

教師：用我們常用的干電池能否直接測(cè)內(nèi)電壓？

學(xué)生：不能！

教師：我們使用特殊的電源，化學(xué)電池?；瘜W(xué)電池的兩極連接數(shù)字電壓表V1，測(cè)路端電壓;用兩個(gè)探針靠近兩極，連接電壓表V2，測(cè)量?jī)?nèi)電壓。借助滑動(dòng)變阻器改變外電路阻值，同學(xué)們觀察內(nèi)外電路的電壓關(guān)系。

教師請(qǐng)一位同學(xué)計(jì)數(shù)，為讀數(shù)準(zhǔn)確請(qǐng)另一位同學(xué)利用照相機(jī)讀數(shù)。（可以同時(shí)獲得V1和V2的電壓）

學(xué)生討論，得出關(guān)系：U內(nèi)+U外=定值。

學(xué)生：隨著外電阻減小，外電壓減小，內(nèi)電壓增大，內(nèi)、外電壓之和基本為定值。

教師：這個(gè)定值一定揭示著電路中某個(gè)本質(zhì)的規(guī)律。這個(gè)定值到底是什么呢？

教師：從伽利略開(kāi)始，物理學(xué)家們就利用理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式來(lái)發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證物理規(guī)律。借鑒物理學(xué)家們的思路，接下來(lái)我們也采用理論推導(dǎo)的方式，來(lái)探究實(shí)驗(yàn)中得出的這個(gè)定值到底是什么。

教師：電路中誰(shuí)消耗電能，誰(shuí)提供電能呢？根據(jù)能量守恒定律，它們之間有什么關(guān)系？

學(xué)生討論，教師引導(dǎo)：

對(duì)于外電路，W外=U外q=U外It，

對(duì)于內(nèi)電路，W內(nèi)=U內(nèi)q=U內(nèi)It，

對(duì)于電源，W非靜=Eq =EIt。

由W非靜=W內(nèi)+W外，得到EIt=U外It+U內(nèi)It，

得到U內(nèi)+U外=E。

學(xué)生得出：剛才實(shí)驗(yàn)中的定值為電源電動(dòng)勢(shì)。

教師：電源電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和。也可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單模型（圖5）來(lái)形象分析。

教師：從這個(gè)圖上我們看到，從電源的負(fù)極b出發(fā)，經(jīng)過(guò)一周再回到負(fù)極b，在電源正負(fù)極附近有兩次電勢(shì)的提升，在電源內(nèi)部和電源外部，靜電力做功又有兩次電勢(shì)的降落。這兩次電勢(shì)的提升的總和就是電源電動(dòng)勢(shì)，而兩次電勢(shì)的降落分別就是電源的內(nèi)電壓和外電壓。

4.3 ? 環(huán)節(jié)三：閉合電路歐姆定律的得出與分析

教師：電源種類很多，形成非靜電力的機(jī)理不同，但對(duì)所有電源都有U內(nèi)+U外=E。

對(duì)于純電阻電路，則有：

U內(nèi)=Ir和U外=IR，

得：E=IR+Ir，

進(jìn)一步變形得： I=。

文字表達(dá)：閉合電路的電流跟電源的電動(dòng)勢(shì)成正比， 跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比。

教師：閉合電路歐姆定律是電路的基本規(guī)律，它對(duì)設(shè)計(jì)和分析電路有重要意義。我們回到課前實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們能否分析出9 V的電池為燈泡供電，燈泡反而更暗的原因嗎？

學(xué)生：9 V的電源內(nèi)阻過(guò)大，內(nèi)電阻分壓過(guò)多，造成外電壓反而更小。

演示：分別將3 V電池和9 V電池接入小燈泡的電路，用數(shù)字電壓表測(cè)量路端電壓，驗(yàn)證。

3 V電池：路端電壓為2.90 V;

9 V電池：路端電壓為1.75 V。

再將另一節(jié)9 V電池接入小燈泡的電路，發(fā)現(xiàn)小燈泡特別明亮。斷開(kāi)電路，直接用數(shù)字電壓表測(cè)量其路端電壓為9.05 V。

教師：剛才的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，我們?cè)趯?shí)際生活中不僅要關(guān)心電源電動(dòng)勢(shì)，更應(yīng)該關(guān)注路端電壓。那么，路端電壓與外電路的電阻有什么關(guān)系呢？下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究一下。

4.4 ? ?環(huán)節(jié)四：路端電壓與負(fù)載的關(guān)系

教師：我們用滑動(dòng)變阻器代替負(fù)載，但是，變阻器的電阻值不易確定，我們?nèi)绾卫闷渌锢砹縼?lái)替代呢？

學(xué)生：用電流表測(cè)電流，電壓表測(cè)路端電壓，可以計(jì)算變阻器阻值。

教師：如果用咱們今天研究的閉合電路歐姆定律分析呢？

學(xué)生：U外=E-Ir。

教師：這個(gè)關(guān)系是否正確？請(qǐng)同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證。

分組實(shí)驗(yàn)：

按照“學(xué)案”上的電路圖進(jìn)行連接和測(cè)量，將數(shù)據(jù)填入表格，尋找規(guī)律。找一組同學(xué)到前面，將數(shù)據(jù)輸入Excel表格，作出圖像，如圖7所示。

教師：你們從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中能得出什么結(jié)論？

學(xué)生得到：

1）R增大，電流減小，路端電壓增大;

2）R減小，電流增大，路端電壓減小。

通過(guò)Excel擬合得到y(tǒng)=a-kx這個(gè)圖像，可以確定U外=E-Ir正確。

教師：請(qǐng)同學(xué)們課后思考，圖像中a表示什么量？k的絕對(duì)值表示哪個(gè)物理量？

4.5 ? ?環(huán)節(jié)五：總結(jié)提升，生活引申

教師：今天我們從實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)研究了閉合電路歐姆定律，并且延伸討論了路端電壓與負(fù)載的關(guān)系。希望每個(gè)同學(xué)都能夠使用你的測(cè)量數(shù)據(jù)在學(xué)案上描點(diǎn)作圖，找出你使用電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻，并且分析圖像中截距與斜率代表的含義。

教師：物理學(xué)來(lái)源于生活，也為我們的生活服務(wù)，在生活中有一些問(wèn)題，你能解決嗎？

問(wèn)題提升：

1）你可能有這樣的經(jīng)驗(yàn)：傍晚用電高峰時(shí)，燈光較暗，而夜深人靜時(shí)，燈光又比較亮。又如，在插上電爐、電暖氣等功率大的用電器時(shí)，燈光會(huì)變暗，拔掉后燈光馬上又亮起來(lái)，這是為什么？

2）去市場(chǎng)買電池時(shí)，售貨員用電壓表直接量電池的電壓告訴滿壓，回家卻不能用，這是為什么？

3）有一節(jié)標(biāo)示不清的電池，希望準(zhǔn)確知道電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，可以采用哪種辦法？

教師：在購(gòu)買電池時(shí)，一定要看出廠日期，即使新電池放置一兩年也會(huì)造成內(nèi)阻過(guò)大，影響使用。

5 ? ?教學(xué)效果評(píng)價(jià)

1）本節(jié)課多個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙，層層相扣，演示實(shí)驗(yàn)與分組探究相結(jié)合，從實(shí)驗(yàn)探究到理論推導(dǎo)找到閉合電路內(nèi)、外電壓的關(guān)系，并進(jìn)一步分析得出閉合電路的歐姆定律。學(xué)生學(xué)習(xí)到了科學(xué)的研究方法， 能真實(shí)感受到研究過(guò)程中的轉(zhuǎn)化、創(chuàng)造和跳躍，對(duì)學(xué)生發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，有很好的促進(jìn)作用。本節(jié)課達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

2）本節(jié)課通過(guò)化學(xué)電池的定量實(shí)驗(yàn)不僅推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律，還直觀地觀察到用電壓表直接接在電源兩極，測(cè)量的是電路的路端電壓（外電壓），為電路分析做了充分的準(zhǔn)備。

3）數(shù)碼相機(jī)的使用，可以同時(shí)獲得內(nèi)外電源數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4）通過(guò)課前實(shí)驗(yàn)、課后思考題、生活小貼士充分聯(lián)系生活實(shí)際等，將學(xué)生由嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢碚n堂帶回生活中，讓學(xué)生看見(jiàn)有血有肉的物理。有的學(xué)生第二天說(shuō)：“老師，我拿今天的問(wèn)題回家問(wèn)爸爸、媽媽，這些現(xiàn)象的原因是什么？他們不知道，我給他們分析了，他們特別崇拜我！”“老師，今天我去超市看電池的出廠日期，還真有幾年前的?！边@樣的物理教學(xué)才還原了物理的本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]物理課程教材研發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》選修3-1 [M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]物理課程教材研發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》選修3-1教學(xué)參考資料[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]梁燦彬，秦光戎，梁竹健.高等學(xué)校試用教材《電磁學(xué)》[M].北京：高等教育出版社，2001.

（欄目編輯 ?趙保鋼）