深度剖析重点难点 精心设计实验教学——以“伏安法测电源电动势和内阻实验”为例

(南京航空航天大学附属高级中学，江苏 南京 210007)

物理教学是以实验为基础的，在实验过程中，可以让学生学习科学方法、领悟科学知识、体验科学情感、感受科学精神等.“高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养”，物理实验是有效提高学生科学素养的一个重要途径.但是，与概念规律课、习题课相比较，高中物理实验课相对处于薄弱的地位，这与高中物理学科特点、与课标要求相差较远.笔者认为：应从促进学生思维发展、提高学生科学素养的高度去认识和发挥高中物理实验课的教学功能.

“伏安法”是电学测量的基本方法，在经历了“伏安法测电阻”后，学生对“伏安法”已有所认识，知道误差产生的原因和选择电流表“外接”或“内接”的依据.但是，高中电学实验无论是原理设计、操作步骤，还是数据处理、误差分析都较为复杂，对学生的思维能力要求较高，学生常常是将知识“生吞活剥”，难以实现知识的“内化”.此时，教师应积极发挥“助学者”的作用，对关键问题必须进行深度剖析，并以符合学生认知规律为原则进行教学设计，以提高学习效益.本文对“伏安法测电源电动势和内阻实验”中三个重点、难点问题进行深度剖析，展示以促进学生思维发展为宗旨的教学设计.

1 系统误差问题——E和r的测量值“偏大”还是“偏小”？

1．1 误差分析思路

实验原理不完善是系统误差的主因，其特征是用同一装置多次重复同一实验时，实验结果总是同样“偏大”或“偏小”.分析这类误差应从实验原理入手，运用相关物理规律进行定性或定量分析.本实验有两种电路，电流表外接电路因电压表分流而导致系统误差(如图1)，电流表内接电路因电流表分压而导致系统误差(如图2).

图1

图2

1．2 两种分析方法

1．2．1 演算法

设电源电动势和内阻的真实值为E0和r0，测量值为E和r，电压表和电流表的示数为U和I，内阻值为RV和RA.

在如图2所示的电路中，根据E=U+Ir，可得：E0=E，r=r0+RA.可得到结论：E=E0，r>r0，电动势测量值与真实值相等，内阻测量值偏大.

1．2．2 等效法

等效法是物理学研究的常用方法，先将相关电表与电源看成一个整体——等效电源，再运用电路规律分析得出结论.

教学设计1：

(1)预设教学目标：帮助学生建立等效电源模型，通过电路分析，得出结论.

(2)创设问题情境：我们将某个电表与电源看成一个整体——等效电源，再进行分析.如何在图1、图2所示的电路中确定等效电源？怎样分析？

(3)课堂交流：将图1电路取如图3中虚线部分为“等效电源”，其等效电路如图4所示.“等效电源内阻r”是RV与r0的并联值.将图2电路取图5虚线部分为等效电源，其等效电路如图6所示，等效电源内阻r是RA与r0的串联值.

图3

图4

图5

图6

(4)思想方法渗透：等效电路是等效替代方法在电路分析中的应用，在研究电源的输出功率、分析动态电路等问题时，常用等效电路简化问题.等效替代是物理学研究的重要思维方法之一，在运用等效电路进行研究的过程中，应让学生进一步领悟等效替代方法，这对提高学生分析和解决问题的能力有重要作用.

2 电路选用问题——选用电流表“内接”还是“外接”？

电流表外接时，E测r真.如仅从系统误差的结论看，多数学生认为应选电流表内接，理由是误差小.但我们一般采用电流表外接测电池的电动势和内阻，如何选择电路是学生特别纠结的问题，教师在此应帮助学生解惑.通过引导学生分析系统误差，提高对实验误差的认识，培养减小实验误差的能力.

教学设计2：

(1)预设教学目标：帮助学生通过误差分析理解两种电路，掌握根据被测电源的内阻值选择电路的方法.

(2)创设问题情境：实验电路的设计应考虑尽量减小误差，本实验选用两种电路，被测电源是干电池，其内阻只有几欧姆，我们该如何选择？

(4)小结：测小内阻电源适用电流表外接，测大内阻电源适用电流表内接.电池属于小内阻电源，应用电流表外接.如果仅需测电源电动势，可直接用电压表测断路电压，即为电动势的值.

(5)思想方法渗透：上述规律与“伏安法测电阻”中的电流表接法选择规律“大内小外”(测大阻值时电流表内接、测小阻值时电流表外接)是一致的.“伏安法”在两个不同实验中的规律统一性，体现了一种哲学思想——矛盾的普遍性.

3 U-I图像问题——如何理解并掌握图像？

图像运用是高中物理对学生的重要能力要求.利用电源的U-I图像分析问题，既直观，又易判断，应要求学生理解并掌握图像法.

3．1 电源的U-I图像

采用电流表外接时，因电压表的分流(IV)，当电压表读数为U时，通过电源的实际电流值I0(理论值)与电流表示数I(实验值)相差ΔI，由ΔI=I0-I=IV=U/RV知，ΔI随U的减小而减小，当U=0时，ΔI=0，有E/r=E0/r0，U-I图线如图7所示.

图7

采用电流表内接时，因电流表的分压(UA)，当电流表示数为I时，电源两端的实际电压U0(理论值)与电压表的示数U(实验值)相差ΔU，由ΔU=U0-U=UA=IRA知，ΔU随I的减小而减小，当I=0时，ΔU=0，有E=E0，U-I图线如图8所示.

3．2 如何掌握图像

学生掌握这个图像的关键，是在理解的基础上再记忆.通过启发引导，让学生寻找两个图像的共性和个性并进行联想，运用形象记忆法能取得良好效果.教学实践表明，学生掌握了电源的U-I图像后，对本实验系统误差的分析很少会出错.

图8

教学设计3：

(1)预设教学目标：让学生通过形象记忆的方法，记住电源U-I图像的特征，提高学习效率.

(2)创设问题情境：我们通过分析已理解了电源的U-I图像，如何记忆更高效，请同学们从图像的形状分析，寻找其共性和个性，看看谁的发现最有价值.

(3)课堂交流：发现都是“理论图线在上”，都是一端相交，另一端“开口”，像个“喇叭”.“电流表外接”U-I图像的“喇叭”开口向上，“电流表内接”U-I图像的“喇叭”开口向下.

(4)思想方法渗透：在物理规律的实际应用中，学生如果不能准确描述物理规律，就会使问题解决的过程处于低效状态，甚至无法解决问题.因此，让学生理解并掌握一些较为复杂的物理图像特征是必须的.引导学生在理解的基础上进行形象记忆，是高效学习的思想方法之一.

参考文献：

王高.把握原理 培养能力 提高素养——“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验复习的探讨 .物理之友，2014,30(4).

张莉，钱呈祥.2014年高考实验“测定电源的电动势及内阻”分析与拓展 .物理之友，2014,30(7).