應(yīng)用閉合電路電勢變化模擬演示儀建構(gòu)電動勢概念

蘇 航 黃致新

(1.華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430079;2.湖北省教育科學(xué)研究院,湖北武漢 430071)

高中物理恒定電流部分,電動勢是核心概念,閉合電路歐姆定律也是核心規(guī)律,而且閉合電路中電勢變化是教學(xué)核心難點.[1]建構(gòu)以電動勢概念為中心的電路知識體系能為后面相關(guān)概念規(guī)律的學(xué)習(xí)提供有力保障.例如,電磁感應(yīng)中感生電動勢、動生電動勢、反電動勢、感抗以及交變電流產(chǎn)生原理等等都是建立在電動勢概念的基礎(chǔ)之上的.《物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2020年版)》和2019年人教版必修3教師用書中都提到:要讓學(xué)生了解應(yīng)用物理量之比定義新物理量的方法.但現(xiàn)行教材中電動勢概念得出往往通過含蓄抽象的文字描述和理解進(jìn)行建構(gòu),缺乏直觀性,難以促使學(xué)生形成正確的物理觀念,導(dǎo)致學(xué)生在其內(nèi)涵和外延的發(fā)掘上遇到困難.[2-5]

筆者設(shè)計并制作了閉合電路電勢升降模擬演示儀,引導(dǎo)學(xué)生通過演示實驗探究,更為直觀準(zhǔn)確地得出閉合電路中電勢的變化,并且結(jié)合閉合電路的能量守恒關(guān)系,對電動勢概念的得出重新進(jìn)行設(shè)計,讓學(xué)生自主探究,掌握用物理量之比定義電動勢的方法.

1 閉合電路電勢升降模擬演示儀裝置介紹

1.1 裝置介紹

本演示裝置參照電路圖(圖1),由兩個調(diào)皮小猴子爬樹玩具改裝而成,如圖2所示.

圖1

圖2

擋板所遮擋的部分相當(dāng)于電源,左邊的最高點相當(dāng)于電源的正極,右邊的最低點相當(dāng)于電源的負(fù)極,圖中的軌道相當(dāng)于電源外部電路.取下?lián)醢搴?如圖3所示,可以看到的中間部分軌道相當(dāng)于電源內(nèi)部電路.兩個“提升”裝置分別相當(dāng)于電源負(fù)極和正極附近的化學(xué)反應(yīng)層.在電路中,負(fù)電荷定向移動形成電流,為研究方便,假定正電荷定向移動,桌面上的玩具小猴可以放入軌道中用來模擬正電荷在電路中的移動,如圖4所示.

圖3 正視圖

圖4 俯視圖

1.2 演示儀的使用

打開開關(guān),伴隨著歡快的音樂,玩具小猴從代表電源負(fù)極的玩具樹的底部出發(fā),爬到樹木的頂端后,從代表內(nèi)電路的綠色軌道滑到電源正極,然后再爬到代表電源正極的樹木頂端后,環(huán)繞代表外電路的黃色軌道滑下回到電源負(fù)極,至此,玩具小猴環(huán)繞軌道一周,代表正電荷環(huán)繞閉合電路一周.閉合電路中比較抽象的電勢變化被形象類比,模擬現(xiàn)象更為科學(xué),學(xué)生易于接受,同時配合歡快的音樂使演示過程更加生動有趣.

2 電動勢概念建構(gòu)的教學(xué)思路

2.1 對照儀器演示釋疑

從功和能的角度,正電荷從電源負(fù)極出發(fā)經(jīng)過負(fù)極附近的化學(xué)反應(yīng)層,在這一過程中正電荷由電勢低處移動到電勢高處,學(xué)生可以推理出電場力要做負(fù)功,但是正電荷卻由電勢低處運動至電勢高處.這說明對化學(xué)電池來說,必定是一種化學(xué)作用力對其做正功.所以我們把它叫非靜電力.同樣的道理正電荷經(jīng)過正極附近的化學(xué)反應(yīng)層到達(dá)正極,在這一過程中正電荷又由電勢低處移動到電勢高處,電場力同樣對其做負(fù)功.這說明仍是非靜電力對正電荷做正功.所以,在兩極附近的化學(xué)反應(yīng)層,正是由于非靜電力做正功將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能.

從電勢變化的角度,從電源負(fù)極出發(fā)沿閉合電路一周又回到負(fù)極,經(jīng)過兩極附近化學(xué)反應(yīng)層電勢升高之和就等于在外電路和內(nèi)電路電勢降低之和.在該演示實驗之前,學(xué)生已經(jīng)通過分組實驗探究得出閉合電路中內(nèi)外電路電勢降低之和為一個常數(shù)E,即U內(nèi)+U外=E(常數(shù)),并且對于同一種類電池,這個常數(shù)E相同,對于不同種類電池,這個常數(shù)E一般不同.

2.2 科學(xué)推理定義式

由閉合電路的能量守恒可知,正電荷經(jīng)過負(fù)極和正極附近的化學(xué)反應(yīng)層非靜電力做功產(chǎn)生的電能之和,就等于經(jīng)過內(nèi)外電路消耗的電能之和,即為W非=ΔE電,而非靜電力做功產(chǎn)生的電能又在內(nèi)電路和外電路被消耗,即ΔE電=ΔE內(nèi)+ΔE外.在外電路中,外電路的電壓為U外,若通過電荷量為q的正電荷,那么外電路消耗的電能是qU外,同理,在內(nèi)電路中,內(nèi)電路的電壓為U內(nèi),同樣通過電荷量為q的正電荷,那么在內(nèi)電路消耗的電能是qU內(nèi).可見,W非=ΔE電=ΔE內(nèi)+ΔE外=qU內(nèi)+qU外,結(jié)合前面分組實驗中得出的U內(nèi)+U外=E(常數(shù)),把兩式聯(lián)立可以得出E=W非/q.

2.3 討論分析建構(gòu)概念

分析E=W非/q可以看出,在化學(xué)電池內(nèi)部移動相同的正電荷q,非靜電力做功越多,這個比值就越大,那正說明了非靜電力做功的本領(lǐng)就越強(qiáng),即電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)就越強(qiáng).看來,這個常數(shù)E反映了不同種類的電源,把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)強(qiáng)弱這一特性,所以,我們把它叫電動勢.

3 模擬演示儀的使用意義與反思

3.1 儀器使用的意義

(1)用演示實驗進(jìn)行難點探究,培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力.學(xué)生根據(jù)研究的問題和儀器的演示情境,參與討論與分析,大大提高了學(xué)生的課堂參與度,促進(jìn)學(xué)生的觀察能力和空間想象能力的發(fā)展,從而強(qiáng)化、拓展、升華學(xué)生的物理實踐力.

(2)由抽象到直觀,促進(jìn)認(rèn)知難點的突破.[6]要掌握閉合電路電勢變化規(guī)律,需要學(xué)生具有在對客觀事務(wù)抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念過程的能力.很多教師為學(xué)生講解電勢變化如圖5所示,不能讓學(xué)生準(zhǔn)確地掌握閉合電路電勢分布狀態(tài),而該儀器彌補(bǔ)了這一不足.學(xué)生通過使用教具,增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的參與感.

圖5

(3)透過現(xiàn)象看本質(zhì),探究電動勢的定義.在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生結(jié)合之前實驗探究得出電源內(nèi)外電壓的關(guān)系和該儀器得出的電路中電勢升降關(guān)系,并結(jié)合能量守恒定律,從定性和定量兩個方面進(jìn)行科學(xué)推理,找出規(guī)律,推理得到電動勢的定義式并建構(gòu)了電動勢概念.

3.2 演示儀設(shè)計的回顧與應(yīng)用反思

(1)巧妙設(shè)計實驗裝置,以幫助突破教學(xué)難點.

讓學(xué)生知道學(xué)會用手邊的器材就能進(jìn)行科學(xué)探究,并能養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任.本儀器取材來自于兒童玩具,通過玩具小猴在軌道上高度升降情況變化類比閉合電路內(nèi)外電路中電勢升降情況,使傳統(tǒng)閉合電路中比較抽象的電勢變化被形象類比,模擬現(xiàn)象更為科學(xué),學(xué)生易于接受.同時配合歡快的音樂使演示過程更加生動有趣.通過創(chuàng)設(shè)情景使學(xué)生從差異中發(fā)現(xiàn)問題,從實驗探究中運用能量守恒推導(dǎo)閉合電路歐姆定律領(lǐng)悟電動勢的提出,并用比值法定義電動勢.這樣不僅提高學(xué)生興趣激發(fā)學(xué)生的求知欲,同時還培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識.正像李政道教授所說的:“自己制作的教具,永遠(yuǎn)比買來的好.”

本實驗設(shè)計過程也經(jīng)歷過改版與調(diào)整,閉合電路電勢升降演示儀1.0版是將兩個“喜羊羊爬樓梯”玩具進(jìn)行改裝,如圖6所示,但考慮到在電源負(fù)極附近和電源正極附近的化學(xué)反應(yīng)層電勢應(yīng)發(fā)生的是“躍升”,所以兩組提升裝置對比,直軌道比傾斜軌道更加接近于“躍升”的描述,所以升級為現(xiàn)在的閉合電路電勢升降演示儀2.0版.

圖6

在調(diào)試的過程中,猴子在兩條傾斜的無動力驅(qū)動的軌道上滑下時,常常因為速度太快而沖出軌道,所以在拼接軌道的設(shè)計時,筆者借鑒在道路長下坡處設(shè)置減震帶的設(shè)計,用雙面膠在軌道上橫向貼上很多減震帶,如圖7所示,很好地起到了減速的效果,使得小猴子能成功入軌.在2.0版設(shè)計中,考慮到器材的美觀,用自噴漆噴涂減震帶處,使得顏色統(tǒng)一,如圖8所示.考慮到正極的電勢高于負(fù)極的電勢,故在兩個版本器材設(shè)計時,均考慮將正極所對應(yīng)的提升裝置底座墊高,使正極的頂點高于負(fù)極的頂點.因為該實驗為演示實驗,考慮到物理教學(xué)的可視性問題,所以在2.0版本中,設(shè)計將整個演示裝置置于高1 m的展示臺上.

圖7

(2)重視物理思想方法的培養(yǎng),讓學(xué)生學(xué)會類比遷移并能質(zhì)疑創(chuàng)新.

在教學(xué)中,為了讓學(xué)生有準(zhǔn)確的認(rèn)識,需要強(qiáng)調(diào)的是該演示儀是化學(xué)電池所在的閉合電路電勢升降的演示儀,要引導(dǎo)學(xué)生通過質(zhì)疑并主動探究不同類型的電源,例如太陽能電池、發(fā)電機(jī)等工作原理與電勢變化的差別也有不同.這種方式不僅可以使物理學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生弄清楚內(nèi)、外電路中電勢升降關(guān)系,還可以讓他們從本質(zhì)上了解含不同電源的電路中電勢升降原理,讓學(xué)生更深刻地理解閉合電路中各物理量的關(guān)系.

(3)以現(xiàn)象和演示促進(jìn)學(xué)生的概念建構(gòu),重視概念的形成過程.

教師在教學(xué)過程中,應(yīng)加深對教材的理解和靈活處理,通過比較研究做好概念的深度剖析.2019年版人教版物理必修3第12章第2節(jié)“閉合電路歐姆定律”中是在已經(jīng)講解了電動勢概念的基礎(chǔ)上,運用閉合電路的能量守恒定律(EIt=I2Rt+I2rt)推導(dǎo)出外電路為純電阻的閉合電路所遵循的規(guī)律為筆者在講授和處理這部分內(nèi)容的方法與教材不同,并未直接通過講授得出電動勢的概念,而是結(jié)合學(xué)生對該演示裝置的理解,通過將實驗探究得出的W非=ΔE電=ΔE內(nèi)+ΔE外=qU內(nèi)+qU外和U內(nèi)+U外=E(常數(shù)),兩組關(guān)系聯(lián)立得出常數(shù)E=W非/q.再對該比值進(jìn)行分析討論得出電源電動勢概念和物理意義,并讓學(xué)生結(jié)合生活中各種電池上的標(biāo)稱描述其物理意義.在應(yīng)用中加深學(xué)生對這一概念的理解.該實驗教具曾多次在課堂中演示,取得很好的教學(xué)效果.學(xué)生興趣濃厚,并且在演示完成后,學(xué)生都情不自禁地鼓掌.

還有一點值得注意的是,教材在處理這部分內(nèi)容時,是在外電路為純電阻的電路環(huán)境下,認(rèn)為產(chǎn)生的電能全部轉(zhuǎn)化為電熱,但在實際應(yīng)用中,很多情況下,外電路可能是非純電阻電路,這時,外電路消耗電能就不全是I2Rt了,[7]但無論外電路是純電阻電路還是非純電阻電路,外電路消耗的電能都可以寫為qU外,所以從某種角度上來說,W非=ΔE電=ΔE內(nèi)+ΔE外=qU內(nèi)+qU外的適用范圍比課本上更為廣泛.