數(shù)字化物理實驗教學(xué)案例分析
——以“測電源電動勢和內(nèi)電阻”為例

闕強華

(新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市第一中學(xué)，新疆 昌吉 831100)

“測量電源電動勢和內(nèi)電阻”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中規(guī)定的21個學(xué)生必做實驗之一，常規(guī)實驗方法是按圖1所示電路圖進行實驗，得到多組路端電壓U和電流I的測量值，繪制U-I圖像(圖2)，從圖像的截距、斜率來求解電源電動勢和內(nèi)電阻。常規(guī)方法的電路連接、數(shù)據(jù)收集等較為直觀，而數(shù)據(jù)處理略顯費時費力。

圖1

圖2

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)(DIS)，利用電流傳感器、電壓傳感器對該實驗中電流、電壓的數(shù)據(jù)進行采集，可自動輸入計算機并繪制圖像，得到結(jié)果。數(shù)字化實驗可以讓學(xué)生充分感受信息技術(shù)的便捷，同時也可以進一步理解閉合電路歐姆定律。

1 實驗過程

實驗裝置如圖3所示，連接電路后采集數(shù)據(jù)，繪制U-I圖像。教材建議采用舊電池，因為舊電池內(nèi)阻較大，圖像斜率相應(yīng)較大，采用DIS系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)完成對新、舊電池電動勢和內(nèi)電阻的測量。

圖3

2 分析思考

在得到新舊、電池U-I圖像后，引導(dǎo)學(xué)生將兩個圖像進行對比，可以發(fā)現(xiàn)新、舊電池的電動勢及內(nèi)阻存在顯著差異。

利用DIS處理數(shù)據(jù)時，可以把橫軸向上平移，使得圖像與橫軸快速相交，為了避免圖像只分布在非常靠近橫軸的很小區(qū)域內(nèi)，再將縱軸放大，就得到圖4所示圖像。但是，此時圖像與橫軸交點已經(jīng)不是短路電流，縱軸的起點也不再是0。然而，圖像與縱軸交點仍然對應(yīng)的是電流為0的斷路狀態(tài)，縱截距仍然為電源電動勢，圖像的斜率值也沒有發(fā)生改變，斜率的絕對值仍然為電源內(nèi)電阻。

圖4

3 教學(xué)實效

采用DIS進行實驗教學(xué)，提升了教學(xué)效率。在學(xué)期期末州級學(xué)校聯(lián)考中考查了該實驗，原題如下：在“用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的實驗中：(1) 備有如下器材：A. 干電池1節(jié)；B. 滑動變阻器(0—20 Ω)；C. 滑動變阻器(0—1 kΩ)；D. 電壓表(0—3 V)；E. 電流表(0—0.6 A)；F. 電流表(0—3 A)；G. 開關(guān)、導(dǎo)線若干。其中滑動變阻器應(yīng)選，電流表應(yīng)選。(選填器材前的序號)。(2) 為了減小實驗誤差，請畫出該實驗最合理的電路圖。(3) 某同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的U-I圖像如圖5所示，由圖5可得電池的電動勢為V，內(nèi)阻為Ω。

圖5

從答題情況分析中可以看出，使用DIS做實驗班級的該題得分率為76.22%，高于年級得分率(57.95%)，是該試卷20道題中得分率最高的一道題。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在教學(xué)實施建議中指出：“要重視數(shù)字化實驗，創(chuàng)新實驗方式。數(shù)字化實驗系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集實驗數(shù)據(jù)，用計算機軟件分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果的現(xiàn)代化實驗系統(tǒng)。數(shù)字化實驗系統(tǒng)是教育信息化發(fā)展的需要，更是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方法和手段。利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)可使很多難以測量或難以控制的實驗得以順利進行，也使很多實驗的測量精度大大提升。建議有條件的地區(qū)為學(xué)校專門創(chuàng)建數(shù)字化實驗室，或引進教師演示用的數(shù)字化實驗系統(tǒng)。”將DIS引入實驗教學(xué)，能夠促進學(xué)生實驗水平的提升，可以有效提高課堂教學(xué)效率，能夠讓學(xué)生專注于分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、形成結(jié)論，對于學(xué)生掌握物理規(guī)律具有積極的助推作用。