高中物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)拓展與開發(fā)
——以探究電源的輸出功率為例

陶宗宇，胡玉娟

(合肥師范學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

高中物理知識點(diǎn)繁多，有時試題考查的知識點(diǎn)超出物理教科書的范圍，此時需要教師在教材教學(xué)環(huán)節(jié)之外展開補(bǔ)充教學(xué)，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(shí)驗(yàn)：電池電動勢和內(nèi)阻的測量”為例進(jìn)行教材分析[1]。

教材首先拋出問題引導(dǎo)學(xué)生思考并設(shè)計測定電池電動勢和內(nèi)阻的方案；隨后介紹通過增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值的方法減少實(shí)驗(yàn)誤差；最后以某次實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果為例，建立平面直角坐標(biāo)系，使學(xué)生掌握結(jié)合圖像判斷各變量中的內(nèi)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(nèi)阻的關(guān)系”這一?？贾R點(diǎn)。

本文在教材原有知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過增加相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究，填補(bǔ)了教材中探究電源輸出功率與電源效率的內(nèi)容缺失。

1 利用滑動變阻器改變燈泡亮度實(shí)驗(yàn)設(shè)計

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

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)器材：小燈泡、單刀開關(guān)、滑動變阻器、干電池若干、導(dǎo)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(shí)驗(yàn)器材，斷開開關(guān)并將滑動變阻器滑動到最大阻值處；隨后閉合開關(guān)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出問題：1. 小燈泡的亮度與什么因素有關(guān)？2. 當(dāng)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(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分組討論，得出“小燈泡亮度是由實(shí)際功率決定”這一結(jié)果。引導(dǎo)學(xué)生思考燈泡亮度的變化與燈泡實(shí)際功率的關(guān)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(dá)到最大值。通過引導(dǎo)學(xué)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(diǎn)“探究電源最大輸出功率與電路外阻的關(guān)系” 。

1.3 反思與評價

趣味性導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)吸引了學(xué)生的注意力，使他們對課程產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和探究動力[4]。教師通過提示和提問加深同學(xué)對物理現(xiàn)象的理解和思考，提高課堂學(xué)習(xí)效率。既可以回顧關(guān)于“電功率”的舊知識，也有助于承接新知識的學(xué)習(xí)；不僅能使學(xué)生感受到學(xué)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(guān)系探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計

進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)器材：朗威DISLab、計算機(jī)、直流穩(wěn)壓電源、電阻箱、電阻圈、單刀開關(guān)、導(dǎo)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(guān)系探究

為保護(hù)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(nèi)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(fù)載。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)分析

(1)將實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)采集器的“1”“2”接口，并將數(shù)據(jù)采集器連接至電腦。

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

(3)設(shè)置電阻箱初始阻值為“1Ω”，調(diào)節(jié)電阻箱使電阻慢慢變大，觀察電流值直到數(shù)值很小，電流改變量也很小。保存對應(yīng)的各項(xiàng)變量，在變量“R”一欄輸入電阻阻值；

(4)設(shè)置各項(xiàng)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(shù)據(jù)

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(shù)關(guān)系圖(圖4)。

圖4 電源輸出功率與電路外阻的線性關(guān)系軟件界面

(7)數(shù)據(jù)分析：由圖像4可知當(dāng)外阻為10歐姆左右時縱坐標(biāo)為最大值所以電源輸出功率達(dá)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(jié)論：“當(dāng)電源內(nèi)阻值等于外阻時電源的輸出功率最大。”

3 驗(yàn)證結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，讓學(xué)生結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和函數(shù)關(guān)系圖在組內(nèi)討論，嘗試用公式證明這個結(jié)論，教師在討論期間給予學(xué)生指導(dǎo)和提示。討論結(jié)束后讓學(xué)生利用板書證明結(jié)論，教師講評給并出正確的證明步驟，步驟如下：

設(shè)電源內(nèi)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(dāng) R=r時，電源輸出的功率最大:

Pm = E2/ 4R；

與試驗(yàn)結(jié)果相符，故猜想成立。

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

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

4 結(jié)語

本節(jié)實(shí)驗(yàn)課利用朗威DISLab完成，可以快速得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并在計算機(jī)端以圖表形式呈現(xiàn)[5]。

(1)極大提高課堂效率：在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中記錄數(shù)據(jù)，分析處理數(shù)據(jù)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(xué)生能在一節(jié)課中有更多時間消化吸收知識，而不是花費(fèi)大量時間采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(2)課堂教學(xué)更加直觀化：利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中“繪圖”功能通過將X軸設(shè)置成某一變量，Y軸設(shè)置成另一變量可以迅速生成兩者變量之間的函數(shù)關(guān)系圖，這種圖像直觀有助于學(xué)生產(chǎn)生感性認(rèn)知，而教師的引導(dǎo)論證有利于學(xué)生感性認(rèn)知到理性認(rèn)知的升華，利于知識體系的構(gòu)建和完善，為物理知識學(xué)習(xí)降壓減負(fù)。

(3)實(shí)驗(yàn)過程簡單快捷，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中若實(shí)驗(yàn)過程冗長、操作繁瑣會導(dǎo)致課堂氣氛變差，老師觀測數(shù)據(jù)和操作器材的空窗期會丟失對學(xué)生注意力和課堂氛圍的把控[8]；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(xué)形式，讓學(xué)生對知識探索更有參與感提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，避免課堂上出現(xiàn)單一的“教師講，學(xué)生聽”的情形。