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1、“闭合电路欧姆定律”的教学分析 摘要和引言专业：物理学 张荣忠 【内容摘要】 闭合电路欧姆定律是中学物理中的重要内容，而做好闭合电路欧姆定律的有关实验，是学生能否理解该内容的一个关键。本文通过实验，分析了可调内阻电池和干电池的结构特点、特性等，以及将它们用于“闭合电路欧姆定律”实验时需考虑的问题，并从实验的材料、电路图、实验过程、实验记录和实验分析等方面逐一作了介绍和分析，然后从四个方面作了教学对比分析，最后对本节教学提出了几点建议。【关键词】 物理实验教学，闭合电路欧姆定律，电池引言闭合电路欧姆定律是中学物理教学中极其重要的内容之一，它既是中学物理教学的重点又是难点，而把握重点、突破难点的关
2、键，是做好“闭合电路欧姆定律”的实验。但这个实验又是一个较为难做的实验，因此，有不少物理教师多年来对“闭合电路欧姆定律”有关实验进行了大量的实验摸索，发现不少对引起本实验较大误差的原因及如何有效减少这些误差的对策。发现该实验难成功、误差大的原因主要表现在几个方面：第一，教学实验用的铅蓄电池存在极板易极化等诸多不稳定因素，造成电池电动势、电压很不稳定，几次测量结果有时相差0.5V之多。第二，常用的机械指针式电压表的内阻不够大，其电阻对测量结果的影响较大。第三，外电阻的不同对实验结果的影响也很大，如阻值过小会使电路中电流过大，极化更严重等。【1】但这些研究大部分是对基于铅蓄电池进行的“闭合电路欧姆
3、定律”实验，以及将它们用于演示实验的讨论，对于“闭合电路欧姆定律”演示实验以外的其它形式的的教学实验及教学活动的探索却比较少，缺乏详细的研究。随着物理教学中对实验及实验教学的重视程度不断增加，特别是在新课程的实施过程中强调通过改变教与学的方式，使学生在开放的环境下能更加自主的地学习，那么，对“闭合电路欧姆定律”有关实验进行深入研究，进一步弄清影响实验的因素以及开发新的实验，对有关“闭合电路欧姆定律”的教学活动开展有重要的意义。基于前人对“闭合电路欧姆定律”实验的一些研究，笔者在对中学物理中有关“闭合电路欧姆定律”的内容（特别是教学实验）进行深入分析的前提下，以研究可调内阻电池和干电池电池的结构
4、特点、特性等为主要内容，主要采用实验研究的方法，分析将它们用于“闭合电路欧姆定律”实验时需考虑的问题，寻找产生误差的因素，提供详细数据为做好相关实验提供参考。同时，通过本次研究活动，能为改变教和学的方式，设计围绕“闭合电路欧姆定律”这一教学内容展开的课堂探究式教学、课外兴趣实验活动等多种形式的教学活动提供丰富的课程资源。一、“闭合电路欧姆定律”的教学分析在中学物理的教学内容中，不少内容与实验有密切的联系，“闭合电路欧姆定律”，就是如此，对这些内容，特别其中的有关实验进行全面的分析，就显得尤为重要。下面以人教版“闭合电路欧姆定律”为例进行教学分析。（一） “闭合电路欧姆定律”的教学地位“闭合电路
5、欧姆定律”是高中物理恒定电流一章的重要内容，也是高中物理教学中极其重要的内容之一，教学大纲中对这部分知识所要求掌握的程度属于较高的“B层次”。【2】即要求学生深刻理解定律的确切含义，并且能在对物理问题进行分析、综合、推理和判断的过程中应用它。本课涉及电动势、内阻、内电压、外电压等基本概念，而且同学们在对内阻的理解上存在较大的前概念问题引起的思维障碍，因为从学生认识结构和能力水平来看，他们在学习“闭合电路欧姆定律”之前，欧姆定律给他们留下了较深刻的印象，他们往往很难意识到电源有内阻，习惯把路端电压看成是不随外电路变化的，这种先入为主的错误观念，形成了不可小看的思维定势，为后面的整个教学增加了不少
6、困难。 （二） “闭合电路欧姆定律”的教学实验从教材看，本课只涉及到路端电压跟负载电阻关系的实验教学，而且此实验的又过于简单，分析如下：上图来自人教版（高二必修加选修）课本，由电路图可知，本实验是为了研究变量外电路的电阻；选择变量路端电压；控制变量电流这三者的关系，实验过程为：当外电路电阻增大时，观察到电流减少和路端电压增大；当外电压电阻减少时，观察到电流增大和路端电压读数减少，于是由实验观察得到：I=E/（R+r）（闭合电路欧姆定律）实验的原理虽然没有给出，但目的却很明确。尽管路端电压的变化确实能让学生产生疑惑：为什么电压表的读数会变化？这是欧姆定律所不能解释的，从而激起学生的求知欲望，但本
7、实验能够得出I=E/（R+r）的结论，思维跨度较大，学生即使不会对“闭合电路欧姆定律”的结论有所疑惑也会对此实验的有效程度产生质疑，这样，要让学生从这一实验产生对“闭合电路欧姆定律”的持久记忆就困难了。高中“闭合电路欧姆定律”这一课题的实验教学，可采用实验-归纳法，即通过对一些实验现象的归纳推理，抽象出这一规律。也可以采用假设-验证法，即先从学生学过的规律出发，进行理论推导，得出新的规律。也就是先运用能量守恒定律和焦耳定律，通过逻辑推理的论证方法，推导出“闭合电路欧姆定律”，然后用实验加以验证。“闭合电路欧姆定律”是教学的重点，又是学生学习的难点。因此，做好“研究电源电动势与内、外电压之间关系
8、”的实验，是突破难点的关键，即研究电源电动势E等于外电路上的电压U外和内电路上的电压U内之和。实验时，需测出：电源电动势、内电压、外电压。电源电动势在数值上等于电源没有接入外电路时两极间的电压，用下面的图乙可以测出电源电动势。严格来说，即使电源不接入电路，用电压表测量电源两端电压，电压表成了外电路，测得的电压也小于电动势。所以为了减小电压表本身的影响，故应该选用电阻较大，且线性良好的电压表。例如：数字万用表。应干华于物理教学探讨 2002（11）：25发表的闭合电路欧姆定律演示实验引起误差的几点原因分析与对策上有关于怎样选择线性良好的电压表的简单介绍，在此不做分析。 外电压又称路端电压，由图“
9、丙”可以测出，但只有当RVR时（其中RV为电压表电压），即电压表可当作理想电压表时，所测得电压值才是路端电压值，故此实验在选用伏特表时也须要选用电阻较大，且线性良好的电压表。本人分别用机械电压表和数字万用表测了一些数据发现：可调内阻电池实验用这两种仪器误差相差比较小，但将干电池用于“闭合电路欧姆定律”实验时，用机械电压表产生的误差很大，甚至很难测得到稳定的、有效的数据。内电压是电源内阻上的电压降。实验中学生用原有的知识无法直接理解并测出内电压，故认识和测量内电压又是本教学实验的难点。如何分解这一教学难点？本人将可调内阻电池和干电池这两种电池用于“研究电源电动势与内、外电压之间关系”的实验进行了
10、一些尝试，并将在实验过程中发现的一些实验现象和数据作了详细记录，供大家参考，同时对实验过程中出现的问题提出了一些粗浅的看法。基于以上的分析和验证“闭合电路欧姆定律”的教学目的，本人对可调内阻电池和干电池的结构特点、电动势、外电压和内电压的影响因素等进行了逐一实验和分析研究。二、两种电池的结构特点和实验分析(一) 可调内阻电池1、可调内阻电池的结构特点：实物图如图1-1所示，内装1.28g/cm3的稀硫酸（市场上汽车用的电瓶溶液）。先将其两电极（如图标有“+”“-”符号的即为电极）接在2V直流电源上，充电五个小时以上。其次将两探针插入电池中，如图1-2所示。（A、B为同种材料做成的探针，实验前必
11、须用砂纸把其表面的氧化膜擦去。）最后将电极和探针分别接在电压表的两极上，如图1-3所示。并通过利用气压来改变电池中部通道室液面的高度来改变电池内阻，如图所示P是其原理模型图。2、可调内阻电池的电池特性：电动势在2V左右，比较稳定。电池内阻可以调节，且可调到20欧姆左右。3、可调内阻电池用于闭合电路欧姆定律的实验材料、电路图、实验过程、实验记录以及实验分析如下：（1）材料J2373型可调内阻电池、探针（可用两根铜丝）、数字万用表（两个）、开关、导线若干。（2）电路图将可调内阻电池内灌足够的稀硫酸，用直流2V电源充电5个小时以上。将充电完毕的可调内阻电池按图1-4所示接入电路，且两铜极用滤纸擦干净
12、，插入可调内阻作两探针，并外接电压表V 、。按电路图接入V和R，记下没有外电路时的读数V，然后每改变一次R记一组U内、U外、V1、V2的数值，多测几组。改变电池的内阻重复上面的实验，填入下表。（4）实验记录表格1-1: 开始时测得电源电动势约为2.100V序号U外 /VU内/VU外+U内/VE1/VE2/VE百分误差/E1234567891.7001.8001.5100.6161.7141.2841.0470.3760.3810.4000.3100.5901.4740.3540.7660.9831.5741.6222.1002.1102.1002.0902.0682.0502.0301.910
13、2.0031.4881.4931.4771.4941.4871.4841.4561.4601.4630.5930.6000.6110.5780.5630.5460.5110.4670.4632.0912.0932.0882.0722.0502.0301.9671.9271.8260.0090.0070.0120.0180.0180.0200.0630.0830.1770.43%0.33%0.57%0.86%0.86%0.95%3.0%3.95%8.42%（注：E=E1+E2、=U外+U内-E，且每改变一次电池内阻测三组数据，即分别测出第1组、第4组与第7组数据之前，改变电池的内阻。）（5）实验
14、分析从数据可知，实验出现这样的现象：虽用低压2.0V的电源给电池充电，但电池的电压却超过了2.0V；由于电极间存在极化现象，电动势有慢慢减小的趋势，开始时在误差允许的范围内基本可以验证闭合电路欧姆定律，但随着实验的进行，误差开始偏大；当多加两个伏特表进行实验时，如图2-3所示，还发现E1+E2与U外+U内有几毫伏到几十毫伏的偏差，且E1+E2略小于U外+U内。产生误差的原因分析：第一，探针的极化电动势引起误差。因为实验中，探针插入电池内部工作一段时间后，两探针表面状态不一致，形成一对电极，会产生几十毫伏的极化电动势，时间越长，极化对内外电压之和的影响就越明显，而且实验时如果探针碰到极板也会增大
15、探针的极化电动势，极化电动势过大，会严重影响实验结果。因此在实验时，需要采取去除极化电动势的措施。如：将探针取出在空气中等待12分钟，或抖动探针，再继续实验，这些都有一定的作用，但作用时间较短；或者可以将两探针短接10分钟，用水冲去硫酸，擦干，用砂纸打磨掉表面的氧化层，即可马上使用，但这种方法，需要较长的时间，而且不能完全去除极化电动势；还可以将探针接上4V交流电，通电1分钟即可，这种方法可以完全去除极化电动势。第二，探极与极板间的间距引起误差。探极间距小于极板间距，使测出的内电压小于其实值，所以会出现上面的结果，增大探针与极板的距离会增大实验的误差，即会增大实验中E1+E2与U外+U内的差值。所以探针尽量靠近极板，但不能接触，否则测量到的将是电池输出的外电压。用本实验可以直接验证公式：U=U外+U内。从学生理解难易的层面来说，思维跨度不大，而且可以得到较理想的数据。（二）
