基于DIS实验的闭合电路欧姆定律实验探究及其拓展*

李富恩

(华北油田第三中学 河北 沧州 062552)

王晓梅

(沧州市教育局 河北 沧州 061001)

何彦雨

(北京林业大学工学院 北京 100083)

1 引言

实验原理为：图1所示为电解液电池，其中A,B为电池正负两极，C,D为靠近正负极的探针，可用于测量内电压，V1,V2电压表分别测量内、外电压.

将此电池接入电路，通过改变电路中的电阻，分别测出内、外电压，然后根据测量数据总结规律，推导出闭合电路欧姆定律，最后在此基础上给出电动势的概念.针对这些特点，结合我校的DIS设备，我们对原有实验器材进行改进，最终成功利用实验探究验证了闭合电路欧姆定律.

图1 实验原理图

2 教学过程

上课前通过DIS实验嵌入微课进行课前预习，让学生们对闭合电路欧姆定律有了一定的认识.实验中用可调内阻电池(电解槽、稀盐酸电解液、正负极板、探针等)、电压传感器两个、数据采集器、计算机、滑动变阻器进行了实验演示，凸显了DIS系统的优势.实验电路实物图如图2所示，实验数据如表1所示.

图2 DIS实验电路实物图

表1 实验数据

在微课的最后我们设置了这样的问题： 本实验结果数值比较小，并且实验用到电解液有些危险，同学们能不能通过化学电池原理借助网络资源，对实验进行改进，改进的方案要便于操作，读数明显且安全系数要高.

学生们经过反复思考和查阅资料，最终把可调内阻电池的电解液换成了可乐.可乐电池既保留传统实验的优点，又大幅提升了稳定性，实验效果也很明显.在实验中用到原电池相关知识，体现了STEM教育理念.

在实验教学过程中创新改造后的可乐可调内阻电池如图3所示，主要开展了3个探究性实验.

图3 自制可乐电池，吹气后中间液面下降

探究一:探究闭合电路规律

学生从该实验探究中不难发现，通过改变外电阻电位器的阻值，闭合电路内、外电压之和在误差允许范围内基本为一定值，进一步引导、帮助学生推导出闭合电路欧姆定律.

探究二:改变内电阻重复上面操作

通过软管对J23060可变内阻电池中间小孔吹气，就可以改变液面高度(图3)，从而改变电池内电阻，然后再次进行实验验证内、外电压的关系.

探究三:探究电池内某些特殊点间电势的变化

实验中，有几组学生，在第一个实验所测内电压为负，于是他们互换了电压传感器接线柱继续实验，抓住这个特点联系课本如图4所示内容，进行实验探究二，在电池内找到4个点分别对应图4中A,B,C,D，逐一测量它们的电势差.该实验的目的在于，通过测量各点间的电势高低，突破能量转化的方向，进一步领悟电动势的物理意义.

图4 闭合电路的电势

闭合电路的电势：图1中的A,B两个位置与图4中的A,B相对应，D，C则分别代表电池的溶液中与A,B两电极靠近的位置.

课堂实验过程中学生们当场制作“可乐电池”，通过小组合作，测量电池随内外电阻变化时的闭合电路内外电压的变化情况，总结规律，推导出电源的内电压与外电压之和在误差允许范围内为一定值，这就是闭合电路欧姆定律，这个定值即为电源的电动势.DIS实验电路连接如图5所示，测量数据如表2所示.

图5 DIS实验电路连接示意图

表2 测量数据

拓展实验：改变电池内阻后，重做实验验证上述结果.

实验中，笔者展示了如表3所示数据，内电压为负值，有些学生看到负数，就更换电压传感器两个接线柱重新实验.结合课本中“闭合电路的电势”示意图，我们进行了第3个实验，测量数据如表3所示.

表3 测量数据

3 总结反思

实验中，真正要突破电动势，就要测量电源两极板附近的电势跃升，这时，我们将实验方法改为了一个电压传感器测量正极附近的电势提升，另一个电压传感器测量负极附近的电势提升变化，电势提升正负变化就是能量转化的方向，从这个角度突破电动势，电势降低说明正电荷在静电力的作用下从高电势点移动到低电势点，将电能(电势能)转化成其他形式的能，静电力不能将正电荷从低电势点搬运到高电势点，那必须有非静电力的作用才能实现，正电荷在这种非静电力的作用下从低电势点搬运到高电势点，将其他形式的能转化为了电能.让学生轻松理解电动势的物理意义.