深度剖析重點難點 精心設計實驗教學
——以“伏安法測電源電動勢和內阻實驗”為例

(南京航空航天大學附屬高級中學，江蘇 南京 210007)

物理教學是以實驗為基礎的，在實驗過程中，可以讓學生學習科學方法、領悟科學知識、體驗科學情感、感受科學精神等.“高中物理課程旨在進一步提高學生的科學素養”，物理實驗是有效提高學生科學素養的一個重要途徑.但是，與概念規律課、習題課相比較，高中物理實驗課相對處于薄弱的地位，這與高中物理學科特點、與課標要求相差較遠.筆者認為：應從促進學生思維發展、提高學生科學素養的高度去認識和發揮高中物理實驗課的教學功能.

“伏安法”是電學測量的基本方法，在經歷了“伏安法測電阻”后，學生對“伏安法”已有所認識，知道誤差產生的原因和選擇電流表“外接”或“內接”的依據.但是，高中電學實驗無論是原理設計、操作步驟，還是數據處理、誤差分析都較為復雜，對學生的思維能力要求較高，學生常常是將知識“生吞活剝”，難以實現知識的“內化”.此時，教師應積極發揮“助學者”的作用，對關鍵問題必須進行深度剖析，并以符合學生認知規律為原則進行教學設計，以提高學習效益.本文對“伏安法測電源電動勢和內阻實驗”中三個重點、難點問題進行深度剖析，展示以促進學生思維發展為宗旨的教學設計.

1 系統誤差問題——E和r的測量值“偏大”還是“偏小”？

1．1 誤差分析思路

實驗原理不完善是系統誤差的主因，其特征是用同一裝置多次重復同一實驗時，實驗結果總是同樣“偏大”或“偏小”.分析這類誤差應從實驗原理入手，運用相關物理規律進行定性或定量分析.本實驗有兩種電路，電流表外接電路因電壓表分流而導致系統誤差(如圖1)，電流表內接電路因電流表分壓而導致系統誤差(如圖2).

圖1

圖2

1．2 兩種分析方法

1．2．1 演算法

設電源電動勢和內阻的真實值為E0和r0，測量值為E和r，電壓表和電流表的示數為U和I，內阻值為RV和RA.

在如圖2所示的電路中，根據E=U+Ir，可得：E0=E，r=r0+RA.可得到結論：E=E0，r>r0，電動勢測量值與真實值相等，內阻測量值偏大.

1．2．2 等效法

等效法是物理學研究的常用方法，先將相關電表與電源看成一個整體——等效電源，再運用電路規律分析得出結論.

教學設計1：

(1)預設教學目標：幫助學生建立等效電源模型，通過電路分析，得出結論.

(2)創設問題情境：我們將某個電表與電源看成一個整體——等效電源，再進行分析.如何在圖1、圖2所示的電路中確定等效電源？怎樣分析？

(3)課堂交流：將圖1電路取如圖3中虛線部分為“等效電源”，其等效電路如圖4所示.“等效電源內阻r”是RV與r0的并聯值.將圖2電路取圖5虛線部分為等效電源，其等效電路如圖6所示，等效電源內阻r是RA與r0的串聯值.

圖3

圖4

圖5

圖6

(4)思想方法滲透：等效電路是等效替代方法在電路分析中的應用，在研究電源的輸出功率、分析動態電路等問題時，常用等效電路簡化問題.等效替代是物理學研究的重要思維方法之一，在運用等效電路進行研究的過程中，應讓學生進一步領悟等效替代方法，這對提高學生分析和解決問題的能力有重要作用.

2 電路選用問題——選用電流表“內接”還是“外接”？

電流表外接時，E測r真.如僅從系統誤差的結論看，多數學生認為應選電流表內接，理由是誤差小.但我們一般采用電流表外接測電池的電動勢和內阻，如何選擇電路是學生特別糾結的問題，教師在此應幫助學生解惑.通過引導學生分析系統誤差，提高對實驗誤差的認識，培養減小實驗誤差的能力.

教學設計2：

(1)預設教學目標：幫助學生通過誤差分析理解兩種電路，掌握根據被測電源的內阻值選擇電路的方法.

(2)創設問題情境：實驗電路的設計應考慮盡量減小誤差，本實驗選用兩種電路，被測電源是干電池，其內阻只有幾歐姆，我們該如何選擇？

(4)小結：測小內阻電源適用電流表外接，測大內阻電源適用電流表內接.電池屬于小內阻電源，應用電流表外接.如果僅需測電源電動勢，可直接用電壓表測斷路電壓，即為電動勢的值.

(5)思想方法滲透：上述規律與“伏安法測電阻”中的電流表接法選擇規律“大內小外”(測大阻值時電流表內接、測小阻值時電流表外接)是一致的.“伏安法”在兩個不同實驗中的規律統一性，體現了一種哲學思想——矛盾的普遍性.

3 U-I圖像問題——如何理解并掌握圖像？

圖像運用是高中物理對學生的重要能力要求.利用電源的U-I圖像分析問題，既直觀，又易判斷，應要求學生理解并掌握圖像法.

3．1 電源的U-I圖像

采用電流表外接時，因電壓表的分流(IV)，當電壓表讀數為U時，通過電源的實際電流值I0(理論值)與電流表示數I(實驗值)相差ΔI，由ΔI=I0-I=IV=U/RV知，ΔI隨U的減小而減小，當U=0時，ΔI=0，有E/r=E0/r0，U-I圖線如圖7所示.

圖7

采用電流表內接時，因電流表的分壓(UA)，當電流表示數為I時，電源兩端的實際電壓U0(理論值)與電壓表的示數U(實驗值)相差ΔU，由ΔU=U0-U=UA=IRA知，ΔU隨I的減小而減小，當I=0時，ΔU=0，有E=E0，U-I圖線如圖8所示.

3．2 如何掌握圖像

學生掌握這個圖像的關鍵，是在理解的基礎上再記憶.通過啟發引導，讓學生尋找兩個圖像的共性和個性并進行聯想，運用形象記憶法能取得良好效果.教學實踐表明，學生掌握了電源的U-I圖像后，對本實驗系統誤差的分析很少會出錯.

圖8

教學設計3：

(1)預設教學目標：讓學生通過形象記憶的方法，記住電源U-I圖像的特征，提高學習效率.

(2)創設問題情境：我們通過分析已理解了電源的U-I圖像，如何記憶更高效，請同學們從圖像的形狀分析，尋找其共性和個性，看看誰的發現最有價值.

(3)課堂交流：發現都是“理論圖線在上”，都是一端相交，另一端“開口”，像個“喇叭”.“電流表外接”U-I圖像的“喇叭”開口向上，“電流表內接”U-I圖像的“喇叭”開口向下.

(4)思想方法滲透：在物理規律的實際應用中，學生如果不能準確描述物理規律，就會使問題解決的過程處于低效狀態，甚至無法解決問題.因此，讓學生理解并掌握一些較為復雜的物理圖像特征是必須的.引導學生在理解的基礎上進行形象記憶，是高效學習的思想方法之一.

參考文獻：

王高.把握原理 培養能力 提高素養——“描繪小燈泡伏安特性曲線”實驗復習的探討 .物理之友，2014,30(4).

張莉，錢呈祥.2014年高考實驗“測定電源的電動勢及內阻”分析與拓展 .物理之友，2014,30(7).