DIS在閉合電路的歐姆定律實(shí)驗(yàn)中的拓展應(yīng)用

韓達(dá)炯 唐柏忠

(浙江省余姚市第二中學(xué),浙江 余姚 315400)

DIS(Digital Information System)即數(shù)字化信息系統(tǒng),它利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,最終把實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接用圖表或圖線的形式呈現(xiàn)出來．它具有直觀、形象、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)．在閉合電路的歐姆定律教學(xué)中筆者基于DIS技術(shù)采用可移式探針來演示全電路電勢(shì)變化情況,直觀的實(shí)驗(yàn)圖像給人一目了然的感覺,取得了良好的教學(xué)效果．

1 類比、插圖教學(xué)的局限性

在閉合電路的歐姆定律的教學(xué)中,對(duì)于電勢(shì)變化情況,各種教材有不同的處理方法．人民教育出版社2002版教材以兒童滑梯作為一個(gè)比喻,如圖1所示,兒童滑梯兩端高度差相當(dāng)于內(nèi)、外電阻兩端的電勢(shì)差,電源就像升降機(jī),升降機(jī)舉起的高度相當(dāng)于電源的電動(dòng)勢(shì)．現(xiàn)在還有很多教師采用這個(gè)方法,考慮到電源正、負(fù)極都有電勢(shì)躍升,有些教師會(huì)采用左右兩架電梯說明,滬教2016版教材就做了類似的處理,同時(shí)為了避免升降機(jī)有上升和下降兩個(gè)過程的干擾,有些教師改用鏈動(dòng)式提升裝置．人民教育出版社2004版教材則直接以插圖的形式介紹了閉合電路中電勢(shì)變化情況．如圖2所示,在外電路中,沿電流方向電勢(shì)降低,即外電壓,對(duì)應(yīng)圖中A→B;在電源內(nèi)部,正、負(fù)極附近沿電流方向電勢(shì)會(huì)“躍升”,即電源電動(dòng)勢(shì),對(duì)應(yīng)圖中D→A、B→C,而圖中C→D表示沿電流方向電勢(shì)降低,即內(nèi)電壓．無論類比方法還是插圖方式看似“生動(dòng)”、“形象”地說明了內(nèi)外電路電勢(shì)變化情況,但終究不能以實(shí)驗(yàn)方式真實(shí)地展示給學(xué)生,只能以教科書式說教的方式告知學(xué)生,學(xué)生也只能“似是而非”地接受．

圖1 兒童滑梯類比

2 基于DIS的演示實(shí)驗(yàn)

為了給學(xué)生一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn),可以把DIS技術(shù)應(yīng)用于閉合電路的歐姆定律,以真實(shí)實(shí)驗(yàn)的形式直觀地展示給學(xué)生全電路電勢(shì)變化情況,給人一目了然的感覺．筆者設(shè)計(jì)成可移式探針鉛蓄電池,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,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(duì)狹長(zhǎng)．

圖3 可移式探針鉛蓄電池裝置

筆者進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)探索.

圖4

(1) 探究電路在開路的情況下的電勢(shì)變化情況．給蓄電池充好足夠的電,不接外電路,直接用電壓傳感器的負(fù)極跟蓄電池的負(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(hào),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)極移動(dòng)到正極,這時(shí)計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)的就是電源內(nèi)部的電勢(shì)變化情況．如圖4所示,可以清楚地看到,在電源負(fù)極附近電勢(shì)躍升了大約0.6V,在電源正極附近電勢(shì)躍升了大約1.5V,這樣電勢(shì)總共躍升了大約2.1V,這個(gè)2.1V就是蓄電池的電動(dòng)勢(shì),這樣通過DIS技術(shù)很直觀地展示了電源電動(dòng)勢(shì)．

(2) 探究電路在通電情況下的電勢(shì)變化情況．給電源接上一個(gè)10Ω的滑動(dòng)變阻器,將滑動(dòng)變阻器全部接入電路,滑動(dòng)觸頭移到邊上不與滑線接觸．同樣用電壓傳感器的負(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(hào),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(shì)變化情況．如圖5所示,可以清楚地看到,在電源負(fù)極附近電勢(shì)躍升了約0.6V,然后隨著探針移動(dòng),電勢(shì)逐漸減低,從圖中可以看出大約降低了0.6V．這個(gè)0.6V就是內(nèi)電壓,內(nèi)電壓大小跟內(nèi)阻大小有關(guān),內(nèi)電阻越大內(nèi)電壓將越大,當(dāng)然也可能超過0.6V．當(dāng)探針移動(dòng)到電源正極附近時(shí)電勢(shì)又突然躍升了約1.5V,這樣電源內(nèi)部電勢(shì)總的躍升還是約2.1V,也說是電源電動(dòng)勢(shì)還是2.1V．接下來把探針移到電源外面,讓探針沿滑動(dòng)變阻器滑線部分從近電源正極處移動(dòng)到近電源負(fù)極處,這時(shí)計(jì)算機(jī)顯示的就是通電情況下的外電路的電勢(shì)變化情況．如圖6所示,可以清楚地看到,在外電路中,從電源正極到負(fù)極,也就是沿電流方向,電勢(shì)逐漸降低．這樣通過DIS技術(shù),很直觀地顯示了通電情況下,整個(gè)閉合電路中沿電流方向的電勢(shì)變化情況．

圖5

圖6

3 結(jié)束語(yǔ)

將DIS技術(shù)應(yīng)用于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(shì)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(shì)變化情況．比起傳統(tǒng)的滑梯類比或插圖教科書式的教學(xué),圖5、圖6直觀的實(shí)驗(yàn)圖像更容易被學(xué)生接受、理解．更絕妙的是,傳感器精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果可以輕而易舉地得出閉合歐姆定律,化解本節(jié)課的難點(diǎn)．從圖5、圖6可以看出,電源電動(dòng)勢(shì)為E=E負(fù)+E正=2.1V,U內(nèi)=0.6V,U外=1.5V,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(cè)量電源內(nèi)部?jī)蓚€(gè)固定探針間的內(nèi)電壓和電源外部的外電壓,然后根據(jù)內(nèi)、外電壓的變化規(guī)律,得出閉合電路的歐姆定律．相比而言,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)無法演示電源內(nèi)部電勢(shì)的躍升,也就是無法測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì),所以這樣的實(shí)驗(yàn)方法也是很難讓學(xué)生完全信服的．更大的問題是固定探針位置的放置,只有當(dāng)兩個(gè)探針放置在負(fù)極電勢(shì)躍升的末端和正極電勢(shì)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(huì)漏測(cè)部分內(nèi)電壓,探針過于靠近電極,又會(huì)把躍升部分的電勢(shì)測(cè)量進(jìn)去,兩種情況都會(huì)引起內(nèi)電壓測(cè)量值偏?。潭ㄊ教结樜恢梅胖糜悬c(diǎn)粗略性,很難做到兩個(gè)固定探針的位置為負(fù)極電勢(shì)躍升的末端或正極電勢(shì)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(shì)),有許多教師可能會(huì)解釋這是實(shí)驗(yàn)引起的誤差．其實(shí)這個(gè)不是一般的實(shí)驗(yàn)操作、讀數(shù)引起的誤差,是由于本身實(shí)驗(yàn)器材缺陷或?qū)嶒?yàn)方法不夠科學(xué)引起的.這種測(cè)量方法存在一定的科學(xué)性問題．滬教2016版教材則改用電壓傳感器測(cè)量電壓,但也是用固定探針來測(cè)量?jī)?nèi)電壓,也存在同樣的問題．有教師用電壓表測(cè)量電極與探針間的電壓來測(cè)定電源電動(dòng)勢(shì),如文獻(xiàn)[1]、[3],但固定探針?biāo)胖玫奈恢檬欠袷请妱?shì)躍升的末端或始端同樣很難斷定,這種測(cè)定電源電動(dòng)勢(shì)的方法也存在一定的科學(xué)性問題,相比而言采用可移式探針結(jié)合DIS技術(shù)得出閉合電路的歐姆定律的方法,更有說服力,更具科學(xué)性、準(zhǔn)確性．

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)、外電阻改變,E負(fù)和E正都不會(huì)改變,即電源電動(dòng)勢(shì)保持不變;U內(nèi)、U外會(huì)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(shì),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．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,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,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)．

DIS實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的處理過程,并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果用圖像直觀地呈現(xiàn)出來,從而大大提高了課堂教學(xué)效率．在日常課堂教學(xué)中,物理教師可以利用DIS技術(shù)來輔助演示實(shí)驗(yàn),充實(shí)課堂教學(xué),提高教學(xué)質(zhì)量．教師應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn),適應(yīng)教學(xué)發(fā)展形勢(shì),轉(zhuǎn)變教育觀念,不斷提高自身素質(zhì),改進(jìn)教學(xué)方法,豐富教學(xué)手段．