應用閉合電路電勢變化模擬演示儀建構電動勢概念

蘇 航 黃致新

(1.華中師范大學物理科學與技術學院,湖北武漢 430079;2.湖北省教育科學研究院,湖北武漢 430071)

高中物理恒定電流部分,電動勢是核心概念,閉合電路歐姆定律也是核心規律,而且閉合電路中電勢變化是教學核心難點.[1]建構以電動勢概念為中心的電路知識體系能為后面相關概念規律的學習提供有力保障.例如,電磁感應中感生電動勢、動生電動勢、反電動勢、感抗以及交變電流產生原理等等都是建立在電動勢概念的基礎之上的.《物理課程標準(2020年版)》和2019年人教版必修3教師用書中都提到:要讓學生了解應用物理量之比定義新物理量的方法.但現行教材中電動勢概念得出往往通過含蓄抽象的文字描述和理解進行建構,缺乏直觀性,難以促使學生形成正確的物理觀念,導致學生在其內涵和外延的發掘上遇到困難.[2-5]

筆者設計并制作了閉合電路電勢升降模擬演示儀,引導學生通過演示實驗探究,更為直觀準確地得出閉合電路中電勢的變化,并且結合閉合電路的能量守恒關系,對電動勢概念的得出重新進行設計,讓學生自主探究,掌握用物理量之比定義電動勢的方法.

1 閉合電路電勢升降模擬演示儀裝置介紹

1.1 裝置介紹

本演示裝置參照電路圖(圖1),由兩個調皮小猴子爬樹玩具改裝而成,如圖2所示.

圖1

圖2

擋板所遮擋的部分相當于電源,左邊的最高點相當于電源的正極,右邊的最低點相當于電源的負極,圖中的軌道相當于電源外部電路.取下擋板后,如圖3所示,可以看到的中間部分軌道相當于電源內部電路.兩個“提升”裝置分別相當于電源負極和正極附近的化學反應層.在電路中,負電荷定向移動形成電流,為研究方便,假定正電荷定向移動,桌面上的玩具小猴可以放入軌道中用來模擬正電荷在電路中的移動,如圖4所示.

圖3 正視圖

圖4 俯視圖

1.2 演示儀的使用

打開開關,伴隨著歡快的音樂,玩具小猴從代表電源負極的玩具樹的底部出發,爬到樹木的頂端后,從代表內電路的綠色軌道滑到電源正極,然后再爬到代表電源正極的樹木頂端后,環繞代表外電路的黃色軌道滑下回到電源負極,至此,玩具小猴環繞軌道一周,代表正電荷環繞閉合電路一周.閉合電路中比較抽象的電勢變化被形象類比,模擬現象更為科學,學生易于接受,同時配合歡快的音樂使演示過程更加生動有趣.

2 電動勢概念建構的教學思路

2.1 對照儀器演示釋疑

從功和能的角度,正電荷從電源負極出發經過負極附近的化學反應層,在這一過程中正電荷由電勢低處移動到電勢高處,學生可以推理出電場力要做負功,但是正電荷卻由電勢低處運動至電勢高處.這說明對化學電池來說,必定是一種化學作用力對其做正功.所以我們把它叫非靜電力.同樣的道理正電荷經過正極附近的化學反應層到達正極,在這一過程中正電荷又由電勢低處移動到電勢高處,電場力同樣對其做負功.這說明仍是非靜電力對正電荷做正功.所以,在兩極附近的化學反應層,正是由于非靜電力做正功將化學能轉化為電能.

從電勢變化的角度,從電源負極出發沿閉合電路一周又回到負極,經過兩極附近化學反應層電勢升高之和就等于在外電路和內電路電勢降低之和.在該演示實驗之前,學生已經通過分組實驗探究得出閉合電路中內外電路電勢降低之和為一個常數E,即U內+U外=E(常數),并且對于同一種類電池,這個常數E相同,對于不同種類電池,這個常數E一般不同.

2.2 科學推理定義式

由閉合電路的能量守恒可知,正電荷經過負極和正極附近的化學反應層非靜電力做功產生的電能之和,就等于經過內外電路消耗的電能之和,即為W非=ΔE電,而非靜電力做功產生的電能又在內電路和外電路被消耗,即ΔE電=ΔE內+ΔE外.在外電路中,外電路的電壓為U外,若通過電荷量為q的正電荷,那么外電路消耗的電能是qU外,同理,在內電路中,內電路的電壓為U內,同樣通過電荷量為q的正電荷,那么在內電路消耗的電能是qU內.可見,W非=ΔE電=ΔE內+ΔE外=qU內+qU外,結合前面分組實驗中得出的U內+U外=E(常數),把兩式聯立可以得出E=W非/q.

2.3 討論分析建構概念

分析E=W非/q可以看出,在化學電池內部移動相同的正電荷q,非靜電力做功越多,這個比值就越大,那正說明了非靜電力做功的本領就越強,即電源把其他形式的能轉化為電能的本領就越強.看來,這個常數E反映了不同種類的電源,把其他形式的能轉化為電能的本領強弱這一特性,所以,我們把它叫電動勢.

3 模擬演示儀的使用意義與反思

3.1 儀器使用的意義

(1)用演示實驗進行難點探究,培養學生的模型建構能力.學生根據研究的問題和儀器的演示情境,參與討論與分析,大大提高了學生的課堂參與度,促進學生的觀察能力和空間想象能力的發展,從而強化、拓展、升華學生的物理實踐力.

(2)由抽象到直觀,促進認知難點的突破.[6]要掌握閉合電路電勢變化規律,需要學生具有在對客觀事務抽象和概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念過程的能力.很多教師為學生講解電勢變化如圖5所示,不能讓學生準確地掌握閉合電路電勢分布狀態,而該儀器彌補了這一不足.學生通過使用教具,增強了學習的參與感.

圖5

(3)透過現象看本質,探究電動勢的定義.在教師的引導下,學生結合之前實驗探究得出電源內外電壓的關系和該儀器得出的電路中電勢升降關系,并結合能量守恒定律,從定性和定量兩個方面進行科學推理,找出規律,推理得到電動勢的定義式并建構了電動勢概念.

3.2 演示儀設計的回顧與應用反思

(1)巧妙設計實驗裝置,以幫助突破教學難點.

讓學生知道學會用手邊的器材就能進行科學探究,并能養成嚴謹的科學態度與責任.本儀器取材來自于兒童玩具,通過玩具小猴在軌道上高度升降情況變化類比閉合電路內外電路中電勢升降情況,使傳統閉合電路中比較抽象的電勢變化被形象類比,模擬現象更為科學,學生易于接受.同時配合歡快的音樂使演示過程更加生動有趣.通過創設情景使學生從差異中發現問題,從實驗探究中運用能量守恒推導閉合電路歐姆定律領悟電動勢的提出,并用比值法定義電動勢.這樣不僅提高學生興趣激發學生的求知欲,同時還培養了學生嚴謹的科學態度,增強學生的創新意識.正像李政道教授所說的:“自己制作的教具,永遠比買來的好.”

本實驗設計過程也經歷過改版與調整,閉合電路電勢升降演示儀1.0版是將兩個“喜羊羊爬樓梯”玩具進行改裝,如圖6所示,但考慮到在電源負極附近和電源正極附近的化學反應層電勢應發生的是“躍升”,所以兩組提升裝置對比,直軌道比傾斜軌道更加接近于“躍升”的描述,所以升級為現在的閉合電路電勢升降演示儀2.0版.

圖6

在調試的過程中,猴子在兩條傾斜的無動力驅動的軌道上滑下時,常常因為速度太快而沖出軌道,所以在拼接軌道的設計時,筆者借鑒在道路長下坡處設置減震帶的設計,用雙面膠在軌道上橫向貼上很多減震帶,如圖7所示,很好地起到了減速的效果,使得小猴子能成功入軌.在2.0版設計中,考慮到器材的美觀,用自噴漆噴涂減震帶處,使得顏色統一,如圖8所示.考慮到正極的電勢高于負極的電勢,故在兩個版本器材設計時,均考慮將正極所對應的提升裝置底座墊高,使正極的頂點高于負極的頂點.因為該實驗為演示實驗,考慮到物理教學的可視性問題,所以在2.0版本中,設計將整個演示裝置置于高1 m的展示臺上.

圖7

(2)重視物理思想方法的培養,讓學生學會類比遷移并能質疑創新.

在教學中,為了讓學生有準確的認識,需要強調的是該演示儀是化學電池所在的閉合電路電勢升降的演示儀,要引導學生通過質疑并主動探究不同類型的電源,例如太陽能電池、發電機等工作原理與電勢變化的差別也有不同.這種方式不僅可以使物理學習能力強的學生弄清楚內、外電路中電勢升降關系,還可以讓他們從本質上了解含不同電源的電路中電勢升降原理,讓學生更深刻地理解閉合電路中各物理量的關系.

(3)以現象和演示促進學生的概念建構,重視概念的形成過程.

教師在教學過程中,應加深對教材的理解和靈活處理,通過比較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節“閉合電路歐姆定律”中是在已經講解了電動勢概念的基礎上,運用閉合電路的能量守恒定律(EIt=I2Rt+I2rt)推導出外電路為純電阻的閉合電路所遵循的規律為筆者在講授和處理這部分內容的方法與教材不同,并未直接通過講授得出電動勢的概念,而是結合學生對該演示裝置的理解,通過將實驗探究得出的W非=ΔE電=ΔE內+ΔE外=qU內+qU外和U內+U外=E(常數),兩組關系聯立得出常數E=W非/q.再對該比值進行分析討論得出電源電動勢概念和物理意義,并讓學生結合生活中各種電池上的標稱描述其物理意義.在應用中加深學生對這一概念的理解.該實驗教具曾多次在課堂中演示,取得很好的教學效果.學生興趣濃厚,并且在演示完成后,學生都情不自禁地鼓掌.

還有一點值得注意的是,教材在處理這部分內容時,是在外電路為純電阻的電路環境下,認為產生的電能全部轉化為電熱,但在實際應用中,很多情況下,外電路可能是非純電阻電路,這時,外電路消耗電能就不全是I2Rt了,[7]但無論外電路是純電阻電路還是非純電阻電路,外電路消耗的電能都可以寫為qU外,所以從某種角度上來說,W非=ΔE電=ΔE內+ΔE外=qU內+qU外的適用范圍比課本上更為廣泛.