基于DIS實(shí)驗(yàn)的閉合電路歐姆定律實(shí)驗(yàn)探究及其拓展*

李富恩

(華北油田第三中學(xué) 河北 滄州 062552)

王曉梅

(滄州市教育局 河北 滄州 061001)

何彥雨

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083)

1 引言

實(shí)驗(yàn)原理為：圖1所示為電解液電池，其中A,B為電池正負(fù)兩極，C,D為靠近正負(fù)極的探針，可用于測(cè)量?jī)?nèi)電壓，V1,V2電壓表分別測(cè)量?jī)?nèi)、外電壓.

將此電池接入電路，通過(guò)改變電路中的電阻，分別測(cè)出內(nèi)、外電壓，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律，推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律，最后在此基礎(chǔ)上給出電動(dòng)勢(shì)的概念.針對(duì)這些特點(diǎn)，結(jié)合我校的DIS設(shè)備，我們對(duì)原有實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)，最終成功利用實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證了閉合電路歐姆定律.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 教學(xué)過(guò)程

上課前通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)嵌入微課進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生們對(duì)閉合電路歐姆定律有了一定的認(rèn)識(shí).實(shí)驗(yàn)中用可調(diào)內(nèi)阻電池(電解槽、稀鹽酸電解液、正負(fù)極板、探針等)、電壓傳感器兩個(gè)、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、滑動(dòng)變阻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，凸顯了DIS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì).實(shí)驗(yàn)電路實(shí)物圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

圖2 DIS實(shí)驗(yàn)電路實(shí)物圖

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在微課的最后我們?cè)O(shè)置了這樣的問(wèn)題： 本實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值比較小，并且實(shí)驗(yàn)用到電解液有些危險(xiǎn)，同學(xué)們能不能通過(guò)化學(xué)電池原理借助網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的方案要便于操作，讀數(shù)明顯且安全系數(shù)要高.

學(xué)生們經(jīng)過(guò)反復(fù)思考和查閱資料，最終把可調(diào)內(nèi)阻電池的電解液換成了可樂(lè).可樂(lè)電池既保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，又大幅提升了穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)效果也很明顯.在實(shí)驗(yàn)中用到原電池相關(guān)知識(shí)，體現(xiàn)了STEM教育理念.

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中創(chuàng)新改造后的可樂(lè)可調(diào)內(nèi)阻電池如圖3所示，主要開(kāi)展了3個(gè)探究性實(shí)驗(yàn).

圖3 自制可樂(lè)電池，吹氣后中間液面下降

探究一:探究閉合電路規(guī)律

學(xué)生從該實(shí)驗(yàn)探究中不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變外電阻電位器的阻值，閉合電路內(nèi)、外電壓之和在誤差允許范圍內(nèi)基本為一定值，進(jìn)一步引導(dǎo)、幫助學(xué)生推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律.

探究二:改變內(nèi)電阻重復(fù)上面操作

通過(guò)軟管對(duì)J23060可變內(nèi)阻電池中間小孔吹氣，就可以改變液面高度(圖3)，從而改變電池內(nèi)電阻，然后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)、外電壓的關(guān)系.

探究三:探究電池內(nèi)某些特殊點(diǎn)間電勢(shì)的變化

實(shí)驗(yàn)中，有幾組學(xué)生，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)所測(cè)內(nèi)電壓為負(fù)，于是他們互換了電壓傳感器接線柱繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，抓住這個(gè)特點(diǎn)聯(lián)系課本如圖4所示內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究二，在電池內(nèi)找到4個(gè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圖4中A,B,C,D，逐一測(cè)量它們的電勢(shì)差.該實(shí)驗(yàn)的目的在于，通過(guò)測(cè)量各點(diǎn)間的電勢(shì)高低，突破能量轉(zhuǎn)化的方向，進(jìn)一步領(lǐng)悟電動(dòng)勢(shì)的物理意義.

圖4 閉合電路的電勢(shì)

閉合電路的電勢(shì)：圖1中的A,B兩個(gè)位置與圖4中的A,B相對(duì)應(yīng)，D，C則分別代表電池的溶液中與A,B兩電極靠近的位置.

課堂實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生們當(dāng)場(chǎng)制作“可樂(lè)電池”，通過(guò)小組合作，測(cè)量電池隨內(nèi)外電阻變化時(shí)的閉合電路內(nèi)外電壓的變化情況，總結(jié)規(guī)律，推導(dǎo)出電源的內(nèi)電壓與外電壓之和在誤差允許范圍內(nèi)為一定值，這就是閉合電路歐姆定律，這個(gè)定值即為電源的電動(dòng)勢(shì).DIS實(shí)驗(yàn)電路連接如圖5所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示.

圖5 DIS實(shí)驗(yàn)電路連接示意圖

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

拓展實(shí)驗(yàn)：改變電池內(nèi)阻后，重做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)中，筆者展示了如表3所示數(shù)據(jù)，內(nèi)電壓為負(fù)值，有些學(xué)生看到負(fù)數(shù)，就更換電壓傳感器兩個(gè)接線柱重新實(shí)驗(yàn).結(jié)合課本中“閉合電路的電勢(shì)”示意圖，我們進(jìn)行了第3個(gè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)

3 總結(jié)反思

實(shí)驗(yàn)中，真正要突破電動(dòng)勢(shì)，就要測(cè)量電源兩極板附近的電勢(shì)躍升，這時(shí)，我們將實(shí)驗(yàn)方法改為了一個(gè)電壓傳感器測(cè)量正極附近的電勢(shì)提升，另一個(gè)電壓傳感器測(cè)量負(fù)極附近的電勢(shì)提升變化，電勢(shì)提升正負(fù)變化就是能量轉(zhuǎn)化的方向，從這個(gè)角度突破電動(dòng)勢(shì)，電勢(shì)降低說(shuō)明正電荷在靜電力的作用下從高電勢(shì)點(diǎn)移動(dòng)到低電勢(shì)點(diǎn)，將電能(電勢(shì)能)轉(zhuǎn)化成其他形式的能，靜電力不能將正電荷從低電勢(shì)點(diǎn)搬運(yùn)到高電勢(shì)點(diǎn)，那必須有非靜電力的作用才能實(shí)現(xiàn)，正電荷在這種非靜電力的作用下從低電勢(shì)點(diǎn)搬運(yùn)到高電勢(shì)點(diǎn)，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為了電能.讓學(xué)生輕松理解電動(dòng)勢(shì)的物理意義.