基于DIS實(shí)驗的閉合電路歐姆定律實(shí)驗探究及其拓展*

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，可用于測量內(nèi)電壓，V1,V2電壓表分別測量內(nèi)、外電壓.

將此電池接入電路，通過改變電路中的電阻，分別測出內(nèi)、外電壓，然后根據(jù)測量數(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)上給出電動勢的概念.針對這些特點(diǎn)，結(jié)合我校的DIS設(shè)備，我們對原有實(shí)驗器材進(jìn)行改進(jìn)，最終成功利用實(shí)驗探究驗證了閉合電路歐姆定律.

圖1 實(shí)驗原理圖

2 教學(xué)過程

上課前通過DIS實(shí)驗嵌入微課進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生們對閉合電路歐姆定律有了一定的認(rèn)識.實(shí)驗中用可調(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、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)、滑動變阻器進(jìn)行了實(shí)驗演示，凸顯了DIS系統(tǒng)的優(yōu)勢.實(shí)驗電路實(shí)物圖如圖2所示，實(shí)驗數(shù)據(jù)如表1所示.

圖2 DIS實(shí)驗電路實(shí)物圖

表1 實(shí)驗數(shù)據(jù)

在微課的最后我們設(shè)置了這樣的問題： 本實(shí)驗結(jié)果數(shù)值比較小，并且實(shí)驗用到電解液有些危險，同學(xué)們能不能通過化學(xué)電池原理借助網(wǎng)絡(luò)資源，對實(shí)驗進(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.可樂電池既保留傳統(tǒng)實(shí)驗的優(yōu)點(diǎn)，又大幅提升了穩(wěn)定性，實(shí)驗效果也很明顯.在實(shí)驗中用到原電池相關(guān)知識，體現(xiàn)了STEM教育理念.

在實(shí)驗教學(xué)過程中創(chuàng)新改造后的可樂可調(diào)內(nèi)阻電池如圖3所示，主要開展了3個探究性實(shí)驗.

圖3 自制可樂電池，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)驗探究中不難發(fā)現(xiàn)，通過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

通過軟管對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)驗驗證內(nèi)、外電壓的關(guān)系.

探究三:探究電池內(nèi)某些特殊點(diǎn)間電勢的變化

實(shí)驗中，有幾組學(xué)生，在第一個實(shí)驗所測內(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，抓住這個特點(diǎn)聯(lián)系課本如圖4所示內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)驗探究二，在電池內(nèi)找到4個點(diǎn)分別對應(yīng)圖4中A,B,C,D，逐一測量它們的電勢差.該實(shí)驗的目的在于，通過測量各點(diǎn)間的電勢高低，突破能量轉(zhuǎn)化的方向，進(jìn)一步領(lǐng)悟電動勢的物理意義.

圖4 閉合電路的電勢

閉合電路的電勢：圖1中的A,B兩個位置與圖4中的A,B相對應(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)驗過程中學(xué)生們當(dāng)場制作“可樂電池”，通過小組合作，測量電池隨內(nèi)外電阻變化時的閉合電路內(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，這個定值即為電源的電動勢.DIS實(shí)驗電路連接如圖5所示，測量數(shù)據(jù)如表2所示.

圖5 DIS實(shí)驗電路連接示意圖

表2 測量數(shù)據(jù)

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

實(shí)驗中，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接線柱重新實(shí)驗.結(jié)合課本中“閉合電路的電勢”示意圖，我們進(jìn)行了第3個實(shí)驗，測量數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 測量數(shù)據(jù)

3 總結(jié)反思

實(shí)驗中，真正要突破電動勢，就要測量電源兩極板附近的電勢躍升，這時，我們將實(shí)驗方法改為了一個電壓傳感器測量正極附近的電勢提升，另一個電壓傳感器測量負(fù)極附近的電勢提升變化，電勢提升正負(fù)變化就是能量轉(zhuǎn)化的方向，從這個角度突破電動勢，電勢降低說明正電荷在靜電力的作用下從高電勢點(diǎn)移動到低電勢點(diǎn)，將電能(電勢能)轉(zhuǎn)化成其他形式的能，靜電力不能將正電荷從低電勢點(diǎn)搬運(yùn)到高電勢點(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點(diǎn)搬運(yùn)到高電勢點(diǎn)，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為了電能.讓學(xué)生輕松理解電動勢的物理意義.