“水果電池的制作與基本參數測定”探究實驗中的樂與獲

蔣華

摘 要：培養(yǎng)高中生的創(chuàng)新能力是高中新課程賦予教師的重要歷史使命，而探究實驗是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要手段與途徑。本文從人教版選修3-1第二章《恒定電流》的第十節(jié)《測定電池的電動勢和內阻》出發(fā)，通過制作水果電池并測定其基本電學參數，綜合多學科的相關知識，延展學生的思維觸角，激發(fā)學生的創(chuàng)新靈感，使學生的電路設計能力、動手實驗能力、思維回饋能力得到培養(yǎng)，學生嘗到了實驗的快樂，激發(fā)了創(chuàng)新思維，提升了創(chuàng)新能力。

關鍵詞：水果電池；制作；創(chuàng)新能力；培養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）1-0005-4

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準（實驗）》在課程理念中強調：“在課程內容上體現時代性、基礎性、選擇性。在內容上應精選學生終身學習必備的基礎知識與技能，加強與學生生活、現代社會及科技發(fā)展的聯系，反映當代科學技術發(fā)展的重要成果和新的科學思想，關注物理學的技術應用所帶來的社會問題，培養(yǎng)學生的社會參與意識和對社會負責任的態(tài)度?！盵1]在實施建議中進一步指出：“教師應選擇與學生生活聯系密切的素材用于教學”。[1]

“測定電源的電動勢和內阻”是學生在學習電源電動勢概念和全電路歐姆定律之后的一個探究實驗。人教版教材選修3-1的第70頁在“實驗方法”中提到：“把較粗的銅絲和鐵絲相隔約幾毫米插入馬鈴薯或蘋果中，就制成了一個水果電池（銅絲和鐵絲相距越近，插入越深，電池的內阻就越?。??！边@里體現的就是讓物理走進生活的基本思想。為了將這一思想和理念轉變?yōu)閹熒男袨?，我們設計并實施了“水果電池的制作與其基本參數的測定”探究實驗。

2 設計思路

通過微課復習鞏固基礎概念與實驗方法，以實驗小組為單位，自主開展電路設計、電路研判、電路選擇、親歷實驗、數據計算、誤差分析、電路重新設計與改進等教學過程。流程圖如圖1：

3 精彩片段

3.1 微課：電極電勢

化學電池的“電動勢”是描述電池將化學能轉化為電能本領大小的物理量。這句話讓學生很費解。微課“化學電池的電動勢和內阻”從化學反應與能量轉化的角度，提出“電極電勢”的概念，較好地解決了這一問題。Zn2+/Zn為鋅電極，Cu2+/Cu為銅電極。由于金屬鋅的活潑性高于銅，導致兩電極的電子得失不同，造成電極電勢不相等。在化學中，規(guī)定氫（H+/H2）電極電勢為零，銅電極電勢為+0.34 V，鋅電極電勢為-0.76 V，銅和鋅組成的化學電池的電動勢即為1.10 V。當濃度和溫度固定時，電極電勢與金屬的活潑性關系密切。因此，化學電池的電動勢是由電池極板的活潑性決定的。學生看到這里，非常興奮，因為他們借助化學知識從本質上理解了電池電動勢產生的根源。

3.2 設問：哪個設計電路最好

實驗小組結合實驗桌上的設備和教材給出的提示，設計了圖2所示的3個電路。各組代表完成班級交流準備開始動手實驗時，老師突然發(fā)問：“哪個電路最好？”學生感到很突然和驚訝：“是??！究竟用哪一個實驗電路呢？”學生繼續(xù)討論并積極交流之后，確定了符合本實驗的電路設計①。這一過程用時較長，但是該過程使學生產生了更加濃厚的探索興趣。

3.3 提問：用安培表怎么測不出電流

實驗課桌上給出了眾多的測量設備，部分小組用蘋果、土豆或檸檬、安培表、伏特表、滑動變阻器等很快完成電路連接。接通電鍵，伏特表有讀數。但是，安培表指針幾乎紋絲不動。

“老師，用安培表怎么測不出電流？”老師聽見了反復的提問，這也是老師預期的問題。老師反問：“為什么呢？檢查電路連接是否有問題？”“電路是否斷路？”“是滑動變阻器阻值偏大嗎？”“這是否表明水果電池的內阻太大了呢？”“實驗桌上還有其他的測量設備嗎？”“大膽更換測量儀器吧！”

在老師的啟發(fā)指導下，學生用萬用表精確地測量出了電流。他們非常開心，因為他們用萬用表測量出了毫安級的電流。

3.4 驗證：土豆電池的內阻與電極之間的距離真是越近越小嗎

教材中“水果電池中的銅絲和鐵絲相距越近，插入越深，電池的內阻就越小”，引起了學生極大的興趣。各小組積極開展相關實驗，控制插入深度，得到表1、表2、表3中的數據，通過作圖（見圖3），的確得到了相應的結論。學生臉上樂開了花。

3.5 對白：土豆、檸檬、蘋果與干電池的對話

實驗中，老師為各實驗組配置了蘋果、土豆、檸檬和干電池。這些電池的電動勢和內阻究竟有怎樣的特點，實驗小組經過測量得到了較為準確的數據。計算數據后，教師請學生代表土豆、檸檬、蘋果與干電池進行對話。

檸檬電池：“各位兄弟，經過各位同學對我進行體檢，發(fā)現我的果酸濃度很大，金屬電極在與果酸的反應中，產生的電荷多。同等條件下，我的電動勢最大，內阻最小。”

蘋果電池：“兄弟們，我的醫(yī)生對我體檢后，發(fā)現我的果酸濃度較大。金屬鋅電極在與果酸反應中，也產生了大量的電荷。但是，我的電動勢比檸檬大哥小，內阻比檸檬大哥大?！?/p>

土豆電池：“檸檬、蘋果兄弟，我參加體檢后，發(fā)現胃里的果酸濃度最小，鋅電極與果酸產生的電荷不多。我的電動勢最小，內阻最大，希望兩位大哥大姐原諒我！”

干電池站出來說：“幾位兄弟，你們很優(yōu)秀。因為你們本不是專業(yè)的化學電池，電動勢不大、內阻很大可以原諒。你們看我，現在我的胃里基本沒什么反應物質了，我的電動勢衰減了，內阻變大了，我可以休息了?！?/p>

幾位同學的對話，把實驗推向了高潮，學生們的臉上洋溢著微笑。

3.6 反思：是否應該改進實驗電路

在實驗中，同學們發(fā)現檸檬、蘋果、土豆電池的內阻很大（幾千歐姆）。如果把這些水果電池的內阻與伏特表的內阻相比較，似乎水果電池的內阻更大。部分同學討論道：“是否需要改進設計的電路？對比圖4所示的兩個電路，用哪個電路測量更準確呢？”

教師請實驗小組對兩個電路進行深入的理論探究，最后統(tǒng)一了認識：圖4中的甲電路，適合測量內阻很小的電源。在電源的內阻遠小于伏特表的內阻時，電壓表分流很小，電流表測量的電流近似等于通過電源的電流，E=U+Ir等式基本成立，根據圖像得到的電動勢和內阻基本能反映電源的參數。但是，如果電源的內阻很大（幾乎與電壓表相當時），電流表測量的已經不再是通過電源的電流，實驗原理不再成立，測量誤差必然很大。

如果改用圖4中的乙電路進行測量，路端電壓是真實的，電流表測量的是通過電源的電流，根據E=U+Ir，電動勢是真實值。此時，測量的內阻實際上還包含了電流表的內阻，測出的電源內阻偏大。但是，只要用測得的內阻減去電流表的內阻就可以得到電池內阻的準確值。

同學們改用圖4中電路圖乙的方法重新進行實驗，得到了更準確的數據。在對這一問題的思考中，同學們的認知能力得到進一步發(fā)展，創(chuàng)新意識得到進一步強化。

4 學生感悟

課后，教師與幾位同學進行了交流。

甲同學：今天的實驗課很帶勁，我們終于可以放手設計，大膽實驗，這樣的實驗課多一點就好了。

乙同學：沒想到水果電池還真有這么大的電動勢，要不是內阻太大的話，真可以用水果直接做電源呢！

丙同學：最大的收獲是對幾個設計電路的探究分析，特別是如何選擇較好的電路進行測量，確實提高了我們的分析能力和創(chuàng)新意識！感謝您！老師。

5 創(chuàng)新提煉

這節(jié)課對老師的觸動很大，進一步反思后，得到以下幾點啟示：

1）本節(jié)課以學生理論設計、實驗探究、分享成果為教學主線，意在落實新課程“學生為主體、教師為主導”的教學理念，培養(yǎng)學生自主學習、合作學習、探究創(chuàng)新的能力，讓學生在興趣盎然中相互啟發(fā)，共同進步。從課堂教學的實際操作流程來看，較好地實現了這一教學設計目標。

2）學生對實驗原理的解讀和對實驗電路的論證，能有效地選擇實驗器材開展實驗。學生分工合作，操作規(guī)范有序，實驗參與度極高，在實驗過程中對新的問題能靈活處理，較好地完成了預期的三維目標。

3）通過微課復習鞏固基本概念，將化學知識與物理知識有機結合起來，使學生的綜合思維能力得到發(fā)展。水果電池的微視頻（下轉第10頁）（上接第7頁）使學生迅速掌握了制作水果電池的方法，提高了課堂教學效率，節(jié)省了時間，使學生能更加充分地開展實驗探究，較好地發(fā)揮了微課的功能。這一方法還可以在今后的課程中廣泛采用。

4）課堂中，學生交流自如、大膽，思想活躍。教師語言簡潔流暢，對學生引導、啟發(fā)、牽引得當，對學生的能力培養(yǎng)起到了很好的促進作用。

5）實驗過程中，教師與小組之間的交流還不是很深入，對學生實驗的指導還需要更細致，還可以再優(yōu)化課堂教學流程。在實驗原理、電路設計部分再節(jié)省點時間，讓學生更充分地進行實驗探究和成果交流。

探究性實驗課是高中新課程中最重要的課程，這節(jié)課讓我們感受到探究實驗的重要價值，必將在今后的教學實踐中進一步創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻：

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

[2]李遠蓉，朱霞，鄧磊.物理探究式教學設計與案例分析[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]趙保鋼.實驗與探究能力的評價——來自GCE物理考試的啟示[J]. 物理教學探討，2005，23（11）：1—2.

（欄目編輯 趙保鋼）