核心素養視域下的伏安法測定電源電動勢和內阻實驗

關健波，張菊艷

(1.昆明市第十四中學，云南 昆明 650106；2.石林彝族自治縣第一中學，云南 鹿阜 652200)

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學習而逐漸形成的正確觀念、必備品格和關鍵能力. 物理學科核心素養主要包括4個方面[1]：物理觀念、科學思維、科學探究、社會責任與態度. 測定電源電動勢和內阻是高中物理中重要的電學實驗，對核心素養的養成具有非常重要的作用. 經過統計和分析[2-9],發現大部分的研究以誤差分析展開，忽略了實驗本身的價值和意義. 本文將從實驗的基本原理出發，從核心素養的角度談談在實驗教學中的一些思考.

1 從生活情景中建立物理觀念

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規律在頭腦中的提煉和升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎[1]. 從生活情景出發能更好地讓學生融入到實驗教學中，拉近物理實驗與生活實際的距離，幫助學生建立物理觀念，奠定從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.

例如考慮為什么要測量電源電動勢和內阻，通過圖1的方案模擬生活情境，讓學生思考：為什么傍晚用電高峰燈光發暗，夜深人靜時燈光特別明亮？教師演示實驗，學生會發現開關閉合越多電壓表示數越小，該事例引發學生認知沖突，激發學生的好奇心和求知欲.

圖1 模擬生活情境的電路圖

通過以上生活情景的引入，學生對實驗現象有了基本的認識，在頭腦中初步形成結論，同時也為測量電源的電動勢和內阻實驗奠定了基礎.

2 在實驗原理的指引下培養科學思維

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構物理模型的抽象過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，從而提出創造性見解的能力與品格[1]. 在設計測量電源電動勢和內阻實驗方案時，從電壓表和電流表內阻是確定值、估計值、未知值角度，可較好地培養學生的科學思維.

通過圖1的方案，學生已經具備閉合開關越多電壓表示數越小的觀念，同時也知道測量電源電動勢和內阻的必要性. 根據閉合電路的歐姆定律，學生很容易理解測量的原理. 這時可以設置小組討論：根據實驗原理設計實驗方案，畫出電路圖，目的是讓學生經歷基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程，培養學生建構模型的能力.

通過小組討論，學生可能設計出多種實驗方案，例如：伏安法電流表外接(見圖2)、伏安法電流表內接(見圖3)、安阻法、伏阻法、安安法、伏伏法等.

圖2 伏安法電流表外接電路

圖3 伏安法電流表內接電路

首先從伏安法中電流表的2種接法進行探討，即選擇圖2或圖3進行實驗.

圖2方案的原理為

(1)

圖3方案的原理為

E=I(RA+r)+U.

(2)

通過(1)和(2)式可以看出：

1)已知電表的內阻情況下，由(1)式知電壓表的電阻時選擇電流表外接法(圖2)，由(2)式知電流表的內阻時選擇電流表內接法(圖3).

圖4 試觸法電路

以上的案例從物理學視角在閉合電路電流與電壓和電阻的內在規律及相互聯系的基礎上進一步的認識，通過學生小組討論，根據電流表的不同接法，抽象出2種不同的物理模型，再通過電壓表和電流表內阻的不同情況，運用分析和綜合、推理論證等方法，比較不同方案測量誤差的大小，從而培養學生選擇最佳方案的能力，并培養科學思維.

3 尋找“等效電源”，培養科學探究能力

科學探究是基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1]. 通過測量電源電動勢和內阻的2種不同方案進行實驗，獲取多組數據并通過公式或U-I圖像進行處理可以得出結論，再通過實驗的結果進行交流、評估、反思，找到伏安法測量電源電動勢和內阻誤差存在本質原因.

例如，根據待測電源和電表的內阻，選擇合適的方案進行實驗. 首先，考慮有多組數據且不能損壞電源，所以電路中滑動變阻器的阻值不能太大，測量時動作要迅速. 下面對2種接法進行探究.

選擇圖2方案進行實驗，記錄2組數據，得到：

(3)

(4)

由(3)和(4)式聯立得出電源電動勢和內阻.

也可以利用圖像法分析. 若考慮到電壓表電阻的影響，則電壓表的讀數與電流表讀數的關系為

(5)

U=-rI+E,

(6)

根據(6)式可以作出圖5中的A圖線，可得|k|=r，b=E.

圖5 U-I關系圖1

圖6 等效電源1

選擇圖3方案進行實驗，記錄2組數據,可以得到：

E=I1(RA+r)+U1,

(7)

E=I2(RA+r)+U2,

(8)

由(7)式和(8)式聯立，可以得出電源電動勢以及內阻.

也可以從圖像法來分析. 若考慮到電壓表電阻的影響，則電壓表的讀數與電流表讀數的關系為

U=-(r+RA)I+E.

(9)

根據(9)式可作出圖7中的D圖線，其斜率|k|=r+RA，截距b=E. 故可以將電源和電流表串聯起來視為“等效電源”，如圖8所示.

圖7 U-I關系圖2

圖8 等效電源2

若用電流表的讀數代替干路電流，則有(6)式成立，根據(6)式可以作出圖7中的C圖線，可得|k|=r，b=E.

2種方案在獲取和處理信息得出結論的基礎上，從圖像的角度分析數據，找到運用“等效電源”的方法理解實驗誤差，能較好地提升學生的科學探究能力.

4 修正實驗，培養科學態度與責任

科學態度與責任是指在認識科學本質，認識科學技術社會環境的基礎上，逐漸形成的探索自然的內在動力，嚴謹認真、事實求實和持之以恒的科學態度等[1]. 所以在科學探究得出結論后要引導學生思考：若用電壓表讀數代替路端電壓，用電流表讀數代替干路電流，如何改進電流測量方案才能使測量結果準確.

圖9 電流表內外接法相結合的U-I關系圖

電流補償法可以解決電流表分壓作用的影響. 圖10中的左邊虛線部分為伏法測量電源電動勢和內阻電流表內接法，該方法的誤差來源為電流表的分壓作用，若電流表中的電流為0，可以避免電流表分壓的影響. 可以采用圖10右邊虛線中電路給予補償，只要調節R1，使電流表A的讀數為0，則A點的電勢和B點的電勢相等，此時，電壓表的電壓即為路端電壓，電流表A1的電流為干路電流，即滿足：U=-Ir+E. 故可以準確測出電源電動勢和內阻.

圖10 電流補償電路

以上的2個案例，運用圖2和圖3方案得出結論，并且對實驗進行交流、評估和反思，找到2種方案的理解方法“等效電源”，最后再通過電流表內外接法和電流補償法對實驗進行修正，從而培養學生嚴謹認真和持之以恒的科學態度.

5 結束語

落實物理學科的核心素養既是時代發展的要求，也是物理教學的要求. 在物理教學中教師要把發展學生的核心素養作為教學目標，也就是要把核心素養的內容滲透到教學的各個環節中. 物理實驗教學是物理教學中重要的部分，是提升學科的核心素養最佳的方式，讓學生能夠發現問題：為什么要做該實驗；分析問題：根據原理如何設計實驗方案；解決問題：如何對實驗獲取的證據作出合理的解釋；反思問題：對于實驗方案中的不足如何進行修正，形成科學態度和社會責任. 因此物理實驗既可以形成物理觀念，也可以培養科學思維和科學探究能力，還可以培養學生的社會責任與態度，能較好地實現落實核心素養的目標.