应用闭合电路电势变化模拟演示仪建构电动势概念

苏 航 黄致新

(1.华中师范大学物理科学与技术学院,湖北武汉 430079;2.湖北省教育科学研究院,湖北武汉 430071)

高中物理恒定电流部分,电动势是核心概念,闭合电路欧姆定律也是核心规律,而且闭合电路中电势变化是教学核心难点.[1]建构以电动势概念为中心的电路知识体系能为后面相关概念规律的学习提供有力保障.例如,电磁感应中感生电动势、动生电动势、反电动势、感抗以及交变电流产生原理等等都是建立在电动势概念的基础之上的.《物理课程标准(2020年版)》和2019年人教版必修3教师用书中都提到:要让学生了解应用物理量之比定义新物理量的方法.但现行教材中电动势概念得出往往通过含蓄抽象的文字描述和理解进行建构,缺乏直观性,难以促使学生形成正确的物理观念,导致学生在其内涵和外延的发掘上遇到困难.[2-5]

笔者设计并制作了闭合电路电势升降模拟演示仪,引导学生通过演示实验探究,更为直观准确地得出闭合电路中电势的变化,并且结合闭合电路的能量守恒关系,对电动势概念的得出重新进行设计,让学生自主探究,掌握用物理量之比定义电动势的方法.

1 闭合电路电势升降模拟演示仪装置介绍

1.1 装置介绍

本演示装置参照电路图(图1),由两个调皮小猴子爬树玩具改装而成,如图2所示.

图1

图2

挡板所遮挡的部分相当于电源,左边的最高点相当于电源的正极,右边的最低点相当于电源的负极,图中的轨道相当于电源外部电路.取下挡板后,如图3所示,可以看到的中间部分轨道相当于电源内部电路.两个“提升”装置分别相当于电源负极和正极附近的化学反应层.在电路中,负电荷定向移动形成电流,为研究方便,假定正电荷定向移动,桌面上的玩具小猴可以放入轨道中用来模拟正电荷在电路中的移动,如图4所示.

图3 正视图

图4 俯视图

1.2 演示仪的使用

打开开关,伴随着欢快的音乐,玩具小猴从代表电源负极的玩具树的底部出发,爬到树木的顶端后,从代表内电路的绿色轨道滑到电源正极,然后再爬到代表电源正极的树木顶端后,环绕代表外电路的黄色轨道滑下回到电源负极,至此,玩具小猴环绕轨道一周,代表正电荷环绕闭合电路一周.闭合电路中比较抽象的电势变化被形象类比,模拟现象更为科学,学生易于接受,同时配合欢快的音乐使演示过程更加生动有趣.

2 电动势概念建构的教学思路

2.1 对照仪器演示释疑

从功和能的角度,正电荷从电源负极出发经过负极附近的化学反应层,在这一过程中正电荷由电势低处移动到电势高处,学生可以推理出电场力要做负功,但是正电荷却由电势低处运动至电势高处.这说明对化学电池来说,必定是一种化学作用力对其做正功.所以我们把它叫非静电力.同样的道理正电荷经过正极附近的化学反应层到达正极,在这一过程中正电荷又由电势低处移动到电势高处,电场力同样对其做负功.这说明仍是非静电力对正电荷做正功.所以,在两极附近的化学反应层,正是由于非静电力做正功将化学能转化为电能.

从电势变化的角度,从电源负极出发沿闭合电路一周又回到负极,经过两极附近化学反应层电势升高之和就等于在外电路和内电路电势降低之和.在该演示实验之前,学生已经通过分组实验探究得出闭合电路中内外电路电势降低之和为一个常数E,即U内+U外=E(常数),并且对于同一种类电池,这个常数E相同,对于不同种类电池,这个常数E一般不同.

2.2 科学推理定义式

由闭合电路的能量守恒可知,正电荷经过负极和正极附近的化学反应层非静电力做功产生的电能之和,就等于经过内外电路消耗的电能之和,即为W非=ΔE电,而非静电力做功产生的电能又在内电路和外电路被消耗,即ΔE电=ΔE内+ΔE外.在外电路中,外电路的电压为U外,若通过电荷量为q的正电荷,那么外电路消耗的电能是qU外,同理,在内电路中,内电路的电压为U内,同样通过电荷量为q的正电荷,那么在内电路消耗的电能是qU内.可见,W非=ΔE电=ΔE内+ΔE外=qU内+qU外,结合前面分组实验中得出的U内+U外=E(常数),把两式联立可以得出E=W非/q.

2.3 讨论分析建构概念

分析E=W非/q可以看出,在化学电池内部移动相同的正电荷q,非静电力做功越多,这个比值就越大,那正说明了非静电力做功的本领就越强,即电源把其他形式的能转化为电能的本领就越强.看来,这个常数E反映了不同种类的电源,把其他形式的能转化为电能的本领强弱这一特性,所以,我们把它叫电动势.

3 模拟演示仪的使用意义与反思

3.1 仪器使用的意义

(1)用演示实验进行难点探究,培养学生的模型建构能力.学生根据研究的问题和仪器的演示情境,参与讨论与分析,大大提高了学生的课堂参与度,促进学生的观察能力和空间想象能力的发展,从而强化、拓展、升华学生的物理实践力.

(2)由抽象到直观,促进认知难点的突破.[6]要掌握闭合电路电势变化规律,需要学生具有在对客观事务抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念过程的能力.很多教师为学生讲解电势变化如图5所示,不能让学生准确地掌握闭合电路电势分布状态,而该仪器弥补了这一不足.学生通过使用教具,增强了学习的参与感.

图5

(3)透过现象看本质,探究电动势的定义.在教师的引导下,学生结合之前实验探究得出电源内外电压的关系和该仪器得出的电路中电势升降关系,并结合能量守恒定律,从定性和定量两个方面进行科学推理,找出规律,推理得到电动势的定义式并建构了电动势概念.

3.2 演示仪设计的回顾与应用反思

(1)巧妙设计实验装置,以帮助突破教学难点.

让学生知道学会用手边的器材就能进行科学探究,并能养成严谨的科学态度与责任.本仪器取材来自于儿童玩具,通过玩具小猴在轨道上高度升降情况变化类比闭合电路内外电路中电势升降情况,使传统闭合电路中比较抽象的电势变化被形象类比,模拟现象更为科学,学生易于接受.同时配合欢快的音乐使演示过程更加生动有趣.通过创设情景使学生从差异中发现问题,从实验探究中运用能量守恒推导闭合电路欧姆定律领悟电动势的提出,并用比值法定义电动势.这样不仅提高学生兴趣激发学生的求知欲,同时还培养了学生严谨的科学态度,增强学生的创新意识.正像李政道教授所说的:“自己制作的教具,永远比买来的好.”

本实验设计过程也经历过改版与调整,闭合电路电势升降演示仪1.0版是将两个“喜羊羊爬楼梯”玩具进行改装,如图6所示,但考虑到在电源负极附近和电源正极附近的化学反应层电势应发生的是“跃升”,所以两组提升装置对比,直轨道比倾斜轨道更加接近于“跃升”的描述,所以升级为现在的闭合电路电势升降演示仪2.0版.

图6

在调试的过程中,猴子在两条倾斜的无动力驱动的轨道上滑下时,常常因为速度太快而冲出轨道,所以在拼接轨道的设计时,笔者借鉴在道路长下坡处设置减震带的设计,用双面胶在轨道上横向贴上很多减震带,如图7所示,很好地起到了减速的效果,使得小猴子能成功入轨.在2.0版设计中,考虑到器材的美观,用自喷漆喷涂减震带处,使得颜色统一,如图8所示.考虑到正极的电势高于负极的电势,故在两个版本器材设计时,均考虑将正极所对应的提升装置底座垫高,使正极的顶点高于负极的顶点.因为该实验为演示实验,考虑到物理教学的可视性问题,所以在2.0版本中,设计将整个演示装置置于高1 m的展示台上.

图7

(2)重视物理思想方法的培养,让学生学会类比迁移并能质疑创新.

在教学中,为了让学生有准确的认识,需要强调的是该演示仪是化学电池所在的闭合电路电势升降的演示仪,要引导学生通过质疑并主动探究不同类型的电源,例如太阳能电池、发电机等工作原理与电势变化的差别也有不同.这种方式不仅可以使物理学习能力强的学生弄清楚内、外电路中电势升降关系,还可以让他们从本质上了解含不同电源的电路中电势升降原理,让学生更深刻地理解闭合电路中各物理量的关系.

(3)以现象和演示促进学生的概念建构,重视概念的形成过程.

教师在教学过程中,应加深对教材的理解和灵活处理,通过比较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节“闭合电路欧姆定律”中是在已经讲解了电动势概念的基础上,运用闭合电路的能量守恒定律(EIt=I2Rt+I2rt)推导出外电路为纯电阻的闭合电路所遵循的规律为笔者在讲授和处理这部分内容的方法与教材不同,并未直接通过讲授得出电动势的概念,而是结合学生对该演示装置的理解,通过将实验探究得出的W非=ΔE电=ΔE内+ΔE外=qU内+qU外和U内+U外=E(常数),两组关系联立得出常数E=W非/q.再对该比值进行分析讨论得出电源电动势概念和物理意义,并让学生结合生活中各种电池上的标称描述其物理意义.在应用中加深学生对这一概念的理解.该实验教具曾多次在课堂中演示,取得很好的教学效果.学生兴趣浓厚,并且在演示完成后,学生都情不自禁地鼓掌.

还有一点值得注意的是,教材在处理这部分内容时,是在外电路为纯电阻的电路环境下,认为产生的电能全部转化为电热,但在实际应用中,很多情况下,外电路可能是非纯电阻电路,这时,外电路消耗电能就不全是I2Rt了,[7]但无论外电路是纯电阻电路还是非纯电阻电路,外电路消耗的电能都可以写为qU外,所以从某种角度上来说,W非=ΔE电=ΔE内+ΔE外=qU内+qU外的适用范围比课本上更为广泛.