《2008年江苏省高中物理一等奖教学论文》——理论 实验 演变 优化.pdf

理论 实验 演变 优化 电源电动势与内电阻的测定 实验的启示 摘要 摘要 实验与探究能力是高考考查的五项能力之一 在实验教学过程中 要讲清原理 规范操作 学会误差分析法 更重要的是明确实验教学不能拘泥 于课本 并由此培养创新精神和科学素养 本文由电源电动势和内阻测定的实 验教学谈理论 实验 演变 优化的递进关系 物理学是一门自然科学 更是一门以实验为基础的学科 实验需要以系统 科学的理论为指导 要切合实际 操作要规范 数据分析要科学 以达到检验 规律的目的 同时 更要由实验产生新的思维的火花 演变出新的设想和方案 以优化实验原理与方案 探知新规律 得出新结论 一 由理想到实际 从理论到实验 理想的电源有电动势而无内电阻 即可以恒压供电 而实际中 电池内部 在不断的发生化学变化 电源的电动势将逐渐减小 内电阻也将逐渐变大 因 而测量不同状态下的电源的电动势和内电阻显得尤为必要与重要 同时电动势 和内阻的测量需要以闭合电路欧姆定律为理论指导 实验 如图 所示 电路用来测定电池组的电动势和内电阻 其中 V 为 电压表 其电阻足够大 定值电阻 R 7 0 在电键未接通时 V 的读数为 6 0V 接通电键后 V 的读数为 5 6V 那么电 池组的电动势和内电阻分别等于 A A 6 0V 0 5 B 6 0V 1 25 C 5 6 V 1 25 D 5 6 V 0 5 图 1 该实验测量原理电键断开时理想情况下电压表读数即为电动势 E 6V 实际上电 压表内阻并非无穷大 这里存在系统误差 测量值略小于电动势 电键闭合后 电压 表的读数是端电压 电路中电流 实际上干路中的电流稍大于0 8A 1 8 0 6 50 6 21 z uu r 内阻5 0AA R u I 7 6 5 2 8 0 故选 A 该法简洁 但是系统误差 偶然误差均较大 实验 教材中根据闭合电路欧姆定律 利用伏安法测定电源的电动势和 内电阻 实验原理图如图 2 1 所示 图 2 1 图 2 2 图 2 3 由图 2 1 可知 电压表读数是端电压 而电压表的分流作用使得电流表的 读数小于干路中 通过电源 的电流 因而存在了系统误差 图 2 2 中是闭合电路 中的 U I 图线其中 I 为实验图 为理论图 实际图 该原理图一般适用小内阻 的电源 若电源内阻较大用图 2 3 可减小系统误差 同时为了减少偶然误差 多测几组 E r 求平均值 或利用图象求 E r 以达到更合理更科学的效果 物理中的概念 定理 规律都是理想状态下的结果 与实际有很大的差别 物理实验都是对物理理想模型的一种现实重现 通过实验 一方面使学生形成 理想化实验的思想 建立理想化模型 另一方面 使学生进一步理解理论与实 际的关系 形成理论联系实际的思想 有利于培养创新能力 二 由一般到特殊 从实验到演变 高考内容紧扣考试说明 源于教材而又不拘泥于教材 联系实际 联系生 活 故而要深入理解书本中的演示实验 分组实验 课外小探究 小制作 以 培养学生实验与探究能力 实验 在测定一节干电池的电动势和内电阻的实验中 备有下列器材 A 干电池 电动势约为 1 5V 内阻小于 1 5 B 电流表 G 满偏电流 2mA 内阻 10 C 电流表 A 0 0 6A 内阻约 0 1 2 D 滑动变阻器R1 0 20 10 A E 滑线变阻器R2 0 100 1 A F 定值电阻R3 990 G 开关 导线若干 为方便且能较准确地进行测量 应选用滑线变阻器 D 填写序号 请在下面所给方框内画出利用本题提供的器材所设计的测量电池电动势 和内阻的实验原理图 某同学根据他设计的实验测出了六组I1 电流表G的示数 和I2 电流表A的 示数 请在坐标纸上做出I1和I2的关系图象 序号 1 2 3 4 5 6 I1 mA 1 40 1 36 1 35 1 28 1 20 1 07 I2 A 0 10 0 15 0 23 0 25 0 35 0 50 根据图线可得 被测电池的电动势为 1 48 V 内阻为 0 80 图 3 1 图 3 2 该实验主要是在原有的课本实验原理基础上 考查了滑线变阻器等仪器的 选择 电源电动势与内阻测量的物理量演变 特别考查了电流表改装成电压表 的实践能力 实验 测量电源的电动势和内阻 r E 约 6V r 约为 1 5 器材 量程 3V 的理想电压表 V 量程 0 6A 的电流表 A 具有一定内阻 固定电阻 R 8 5 滑线变阻器 R 0 10 开关 S 导线若干 画出实验电路原理图 图中各元件需用题目中给出的符号或字母标出 用笔画线代替导线完成实物连接图 3 实验中 当电流表读数为I1时 电压表读数为U1 当电流表读数为时I2 时 电压表读数为U2 则可以求出 用I1 I2 U1 U2及R表示 4 图 4 1 图 4 2 该实验主要由书本实验演变为对非常规电源 大电动势 小内阻 电动势的 测量方法的研究 在电压表量程一定的情况下 根据串联分压的原理给电源串 上了一个定值电阻 如果用 U I 图象求电动势 E 和内阻 r 电动势仍为纵轴上 的截距 而图线斜率的绝对值则为 R r 实验 为了能精确测量某一高内阻电源的电动势和内阻 待测电源电动势 约为 10V 内阻约 1K 并能测得多组数据 提供的器材有 A 电压表 量程 6V 内阻约 1 K B 电压表 量程 25V 内阻约 4 K C 电流表 量程 1mA 内阻约 100 D 电流表 量程 10mA 内阻约 10 E 滑线变阻器 最大阻值为 10K 最大电流为 0 2A 图 5 F 滑线变阻器 最大阻值为 100 最大电流为 1A G 电键 导线若干 请设计测量电路 在虚线框内画出电路图 其中电压表选择 A 电流表选择 D 变阻器选择 E 只需 填写仪器前的序号 由一般到特殊 采用的是科学演绎法 即从基本原理出发 经过演绎推理 21 122 I UI 1 I UI E R I U I U r 12 21 导出相应的结论 合学生的一般认知规律 思维具有严密 逻辑性 上述实验 不仅考查了电压表 电流表 滑线变阻器的选择 更重要的是学会对大内阻电 源的电动势和内阻测量的实验电路演变 由外电路的电流表内接法 改变为外 接法 同时也提醒我们 具体问题具体分析 切不可照搬照抄 三 由复杂到简单 从演变到优化 对于实验的设计 操作 处理 分析 我们希望原理科学 操作简便 处 理简洁 数据合理 为此我们可以在原有的伏安法测定电源的电动势和内电阻 的基础上 进一步简化 优化实验 实验 在实验五的题干中加入第 小问 某同学在测定此电源电动势 和内阻时 采用上述电流表与一只电阻箱 最 大电阻为 9999 9 设计电路如图 所示 由 于存在系统误差 请根据此电路测量原理 比 较电动势和内阻的测量值与真实值大小关系 即E测 E真 r测 r真 图 6 该实验把过去阻值未能直接读出的滑线变阻器换成了可调可读的电阻箱 从而使得在原理不变的条件下可去除一个电压表 以达到电路简化的目的 测 量的数据E测 E真 r测 RA r真 r真 但内阻r的系统误差较大 实验 要测定一电源的电动势 小于 3V 和内阻r 约 1 现有下列器材 电压表V 3V和 15V两个量程 电阻箱 0 999 9 定值电阻R0 3 开关和 导线 某同学根据所给器材设计 如图 7 1 所示的实验电路 图 7 1 图 7 2 电路中定值电阻的作用是 保护电源 防止短路 5 6 请根据图 7 1 电路 在图 7 2 中用笔画线代替导线连接电路 该同学调节电阻箱阻值R 读出对应的电压表读数U 得到两组数据 R1 2 0 时U1 2 37V R2 4 0 时U2 2 51V 由两组数据可求得电源的电动势 为E 2 94 V r 1 2 该实验在实验 基础上 将电流表换成了电压表 并且加入了一个保护电 阻R0 不仅达到了简化的效果 而且更加科学化 安全化 优化一些实验的研究方法 研究程序和研究手段 使学生有更多的机会动 脑 动手 参与实验教学 让学生通过探究的方法 自主学习 主动探究 这 实际上就是把验证性实验改为探究性实验 这样一改体现了新课程的学习理念 很好地培养了学生的创新精神 实验教学既是物理知识教学的基础 也是学生形成严谨的科学态度 实事 求是的科学素养的主要渠道 更是培养学生具有探索精神 探究能力的有效手 段 现代教育提倡学生自主 合作 探究学习 实验教学过程正体现了这种要 求 同时 实验与探究能力是高考考查的一项能力 也是新课程标准对学生培 养的目标之一 由实验到演变 由一般到特殊 由复杂到优化 目标是多元化 的 内容是开放性的 方法是探究式的 新知建构是过程化的 符合学生认知 规律 能很好地培养学生的创新精神 学习知识 是为了应用知识 是为了把知识转化为社会生产力 为国家的 经济建设 国防建设 科学研究等方面服务 为此 教师的责任更为重大 职 业更加神圣 为培养和造就一批二十一世纪的具有创新精神和实践能