DIS在閉合電路的歐姆定律實驗中的拓展應用

韓達炯 唐柏忠

(浙江省余姚市第二中學,浙江 余姚 315400)

DIS(Digital Information System)即數字化信息系統,它利用傳感器、數據采集器和計算機系統,進行實驗數據采集、數據處理,最終把實驗結果直接用圖表或圖線的形式呈現出來．它具有直觀、形象、簡便等特點．在閉合電路的歐姆定律教學中筆者基于DIS技術采用可移式探針來演示全電路電勢變化情況,直觀的實驗圖像給人一目了然的感覺,取得了良好的教學效果．

1 類比、插圖教學的局限性

在閉合電路的歐姆定律的教學中,對于電勢變化情況,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比喻,如圖1所示,兒童滑梯兩端高度差相當于內、外電阻兩端的電勢差,電源就像升降機,升降機舉起的高度相當于電源的電動勢．現在還有很多教師采用這個方法,考慮到電源正、負極都有電勢躍升,有些教師會采用左右兩架電梯說明,滬教2016版教材就做了類似的處理,同時為了避免升降機有上升和下降兩個過程的干擾,有些教師改用鏈動式提升裝置．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變化情況．如圖2所示,在外電路中,沿電流方向電勢降低,即外電壓,對應圖中A→B;在電源內部,正、負極附近沿電流方向電勢會“躍升”,即電源電動勢,對應圖中D→A、B→C,而圖中C→D表示沿電流方向電勢降低,即內電壓．無論類比方法還是插圖方式看似“生動”、“形象”地說明了內外電路電勢變化情況,但終究不能以實驗方式真實地展示給學生,只能以教科書式說教的方式告知學生,學生也只能“似是而非”地接受．

圖1 兒童滑梯類比

2 基于DIS的演示實驗

為了給學生一個真實的實驗體驗,可以把DIS技術應用于閉合電路的歐姆定律,以真實實驗的形式直觀地展示給學生全電路電勢變化情況,給人一目了然的感覺．筆者設計成可移式探針鉛蓄電池,實驗裝置如圖3所示,跟普通的鉛蓄電池相比,多了一根可以移動的探針,容器上面開口處設計了一道槽,探針可以沿槽在正、負極間來回移動,同時為了使電源內阻盡量大一點,連接左右兩極的通道設計的相對狹長．

圖3 可移式探針鉛蓄電池裝置

筆者進行了以下實驗探索.

圖4

(1) 探究電路在開路的情況下的電勢變化情況．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極跟蓄電池的負極相連,傳感器的正極跟探針相連,同時啟動數據采集器采集電壓信號,選用“示波”方式,在電腦窗口中呈現u-t圖像．讓探針在電解液中從蓄電池的負極移動到正極,這時計算機呈現的就是電源內部的電勢變化情況．如圖4所示,可以清楚地看到,在電源負極附近電勢躍升了大約0.6V,在電源正極附近電勢躍升了大約1.5V,這樣電勢總共躍升了大約2.1V,這個2.1V就是蓄電池的電動勢,這樣通過DIS技術很直觀地展示了電源電動勢．

(2) 探究電路在通電情況下的電勢變化情況．給電源接上一個10Ω的滑動變阻器,將滑動變阻器全部接入電路,滑動觸頭移到邊上不與滑線接觸．同樣用電壓傳感器的負極跟電源的負極相連,傳感器的正極跟探針相連,同時啟動數據采集器采集電壓信號,選用“示波”方式,在電腦窗口中呈現u-t圖像．讓探針在電解液中從蓄電池的負極沿槽移動到正極,這時計算機顯示的就是通電情況下的電源內部電勢變化情況．如圖5所示,可以清楚地看到,在電源負極附近電勢躍升了約0.6V,然后隨著探針移動,電勢逐漸減低,從圖中可以看出大約降低了0.6V．這個0.6V就是內電壓,內電壓大小跟內阻大小有關,內電阻越大內電壓將越大,當然也可能超過0.6V．當探針移動到電源正極附近時電勢又突然躍升了約1.5V,這樣電源內部電勢總的躍升還是約2.1V,也說是電源電動勢還是2.1V．接下來把探針移到電源外面,讓探針沿滑動變阻器滑線部分從近電源正極處移動到近電源負極處,這時計算機顯示的就是通電情況下的外電路的電勢變化情況．如圖6所示,可以清楚地看到,在外電路中,從電源正極到負極,也就是沿電流方向,電勢逐漸降低．這樣通過DIS技術,很直觀地顯示了通電情況下,整個閉合電路中沿電流方向的電勢變化情況．

圖5

圖6

3 結束語

將DIS技術應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變化實驗,讓學生真正體驗了在內外電路中電勢變化情況．比起傳統的滑梯類比或插圖教科書式的教學,圖5、圖6直觀的實驗圖像更容易被學生接受、理解．更絕妙的是,傳感器精準的測量結果可以輕而易舉地得出閉合歐姆定律,化解本節課的難點．從圖5、圖6可以看出,電源電動勢為E=E負+E正=2.1V,U內=0.6V,U外=1.5V,這樣顯而易見得出E=U內+U外,從而得出E=IR+Ir,即用DIS實驗的方法得出了閉合電路的歐姆定律．

我們傳統的實驗方法為用兩個電壓表分別測量電源內部兩個固定探針間的內電壓和電源外部的外電壓,然后根據內、外電壓的變化規律,得出閉合電路的歐姆定律．相比而言,傳統的實驗無法演示電源內部電勢的躍升,也就是無法測量電源電動勢,所以這樣的實驗方法也是很難讓學生完全信服的．更大的問題是固定探針位置的放置,只有當兩個探針放置在負極電勢躍升的末端和正極電勢躍升的始端時,探針間的電壓才是內電壓,探針過于遠離電極,則會漏測部分內電壓,探針過于靠近電極,又會把躍升部分的電勢測量進去,兩種情況都會引起內電壓測量值偏小．固定式探針位置放置有點粗略性,很難做到兩個固定探針的位置為負極電勢躍升的末端或正極電勢躍升的始端,探針位置稍有偏差就要造成電壓改變,從而造成內外電壓之和不等于開路電壓(或者說電動勢),有許多教師可能會解釋這是實驗引起的誤差．其實這個不是一般的實驗操作、讀數引起的誤差,是由于本身實驗器材缺陷或實驗方法不夠科學引起的.這種測量方法存在一定的科學性問題．滬教2016版教材則改用電壓傳感器測量電壓,但也是用固定探針來測量內電壓,也存在同樣的問題．有教師用電壓表測量電極與探針間的電壓來測定電源電動勢,如文獻[1]、[3],但固定探針所放置的位置是否是電勢躍升的末端或始端同樣很難斷定,這種測定電源電動勢的方法也存在一定的科學性問題,相比而言采用可移式探針結合DIS技術得出閉合電路的歐姆定律的方法,更有說服力,更具科學性、準確性．

我們還可以通過改變液面高度、改變正負極間的距離改變內阻,還可以改變外電阻大小,進行多次實驗．實驗結果顯示,隨著內、外電阻改變,E負和E正都不會改變,即電源電動勢保持不變;U內、U外會發生改變,但U內+U外的值保持不變,始終等于電源電動勢,各組實驗數據都相當精準,完全避免了由于固定探針位置不合理造成的實驗誤差．閉合電路的歐姆定律這節內容是一個很好的探究素材,有許多探究點,人教版教材把這么好的探究素材棄之,實為可惜.有了DIS技術采用可移式探針的演示,可以把這節課設計成探究性教學課,培養學生科學探究能力,培養學生求真求實的科學態度,真正落實學科核心素養的培養．

DIS實驗簡化了實驗數據的采集和數據的處理過程,并且實驗結果用圖像直觀地呈現出來,從而大大提高了課堂教學效率．在日常課堂教學中,物理教師可以利用DIS技術來輔助演示實驗,充實課堂教學,提高教學質量．教師應該與時俱進,適應教學發展形勢,轉變教育觀念,不斷提高自身素質,改進教學方法,豐富教學手段．