数字化物理实验教学案例分析——以“测电源电动势和内电阻”为例

阙强华

(新疆维吾尔自治区昌吉市第一中学，新疆 昌吉 831100)

“测量电源电动势和内电阻”是《普通高中物理课程标准(2017年版)》中规定的21个学生必做实验之一，常规实验方法是按图1所示电路图进行实验，得到多组路端电压U和电流I的测量值，绘制U-I图像(图2)，从图像的截距、斜率来求解电源电动势和内电阻。常规方法的电路连接、数据收集等较为直观，而数据处理略显费时费力。

图1

图2

随着现代教育技术的发展，运用数字化实验系统(DIS)，利用电流传感器、电压传感器对该实验中电流、电压的数据进行采集，可自动输入计算机并绘制图像，得到结果。数字化实验可以让学生充分感受信息技术的便捷，同时也可以进一步理解闭合电路欧姆定律。

1 实验过程

实验装置如图3所示，连接电路后采集数据，绘制U-I图像。教材建议采用旧电池，因为旧电池内阻较大，图像斜率相应较大，采用DIS系统可以在短时间内完成对新、旧电池电动势和内电阻的测量。

图3

2 分析思考

在得到新旧、电池U-I图像后，引导学生将两个图像进行对比，可以发现新、旧电池的电动势及内阻存在显著差异。

利用DIS处理数据时，可以把横轴向上平移，使得图像与横轴快速相交，为了避免图像只分布在非常靠近横轴的很小区域内，再将纵轴放大，就得到图4所示图像。但是，此时图像与横轴交点已经不是短路电流，纵轴的起点也不再是0。然而，图像与纵轴交点仍然对应的是电流为0的断路状态，纵截距仍然为电源电动势，图像的斜率值也没有发生改变，斜率的绝对值仍然为电源内电阻。

图4

3 教学实效

采用DIS进行实验教学，提升了教学效率。在学期期末州级学校联考中考查了该实验，原题如下：在“用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻”的实验中：(1) 备有如下器材：A. 干电池1节；B. 滑动变阻器(0—20 Ω)；C. 滑动变阻器(0—1 kΩ)；D. 电压表(0—3 V)；E. 电流表(0—0.6 A)；F. 电流表(0—3 A)；G. 开关、导线若干。其中滑动变阻器应选，电流表应选。(选填器材前的序号)。(2) 为了减小实验误差，请画出该实验最合理的电路图。(3) 某同学根据实验数据画出的U-I图像如图5所示，由图5可得电池的电动势为V，内阻为Ω。

图5

从答题情况分析中可以看出，使用DIS做实验班级的该题得分率为76.22%，高于年级得分率(57.95%)，是该试卷20道题中得分率最高的一道题。

《普通高中物理课程标准(2017年版)》在教学实施建议中指出：“要重视数字化实验，创新实验方式。数字化实验系统是利用传感器、数据采集器等收集实验数据，用计算机软件分析实验数据、得出实验结果的现代化实验系统。数字化实验系统是教育信息化发展的需要，更是学生创新能力培养的重要方法和手段。利用数字化实验系统可使很多难以测量或难以控制的实验得以顺利进行，也使很多实验的测量精度大大提升。建议有条件的地区为学校专门创建数字化实验室，或引进教师演示用的数字化实验系统。”将DIS引入实验教学，能够促进学生实验水平的提升，可以有效提高课堂教学效率，能够让学生专注于分析数据、发现规律、形成结论，对于学生掌握物理规律具有积极的助推作用。