从教材的演变谈闭合电路的欧姆定律的教学设计新.doc

从教材的演变谈闭合电路的欧姆定律的教学设计A Teaching Design for Ohms Law on Closed CircuitBased on the Evolutions of the Textbook唐柏忠浙江省余姚市第二中学 浙江 余姚 3154001、 前言随着教育教学改革的不断深入，高中物理教材也不断改进、提高、优化。从九十年代至今，人民教育出版社已出版了三版物理教材。在三个版本的教材中，闭合电路的欧姆定律的教材编排变化相对较大，笔者通过这十几年的教学实践，对三种教材进行了比较、研究，发现三种教材各有利弊、各有长处。教师如果从三种教材中吸取精华，扬长避短，优化教学设计，对提高教学质量和教学效率，将起到事半功倍的效果。2、 三种教材的编排（） 94版高级中学课本物理第二册（必修）（下称教材1）图1教材1直接引入电动势概念：电源的电动势，等于电源没有接入电路时两极间的电压。然后利用如图所示的电路装置研究闭合电路的内电压、外电压和电动势间的关系，通过实验得出，教材再利用部分电路欧姆定律得出， 然后得到 ，即闭合电路的欧姆定律：闭合电路里的电流，跟电源的电动势成正比，跟整个电路的电阻成反比。最后教材简要地介绍了路端电压与外电阻的关系。以上教学内容教材分电动势和闭合电路的欧姆定律两节进行阐述。（） 2002版全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理第二册（下称教材2）图2教材开门见山地提出“介绍一个表征电源特性的物理量电动势，电源电动势等于没有接入电路时两极间的电压。”然后采用插图象形象地来说明内、外电路中的电势变化。从图像直接得出“理论分析表明，在闭合电路中，电源内部升高的数值等于电路中电势降落的数值，即电源的电动势等于外和内之和：外内。”接着教材以儿童滑梯做比喻，形象地说明闭合电路中电势的升降。然后教材利用部分电路欧姆定律得出，得到 ，即闭合电路欧姆定律。由于对电动势没有很详细地介绍，所以教材只用闭合电路的欧姆定律一节进行阐述。（） 2004版普通高中物理课程标准实验教科书物理选修31（下称教材3）BDAC图3教材3从电源入手，指出“电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。”然后用非静电力做功本领引出电动势，“电动势在数值上等于非静电力把的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功，表示为。”对闭合电路欧姆定律的推导教材另辟蹊径，从能量的角度入手分析了内外电路。首先从电场力做功和非静电力做功分析了内、外电路的电势变化，并用图3直观展现了内外电势的变化情况。然后从能量方面来研究内外电路：BDAC图3、 在外电路，产生的热量，、 在内电路，产生的热量QI2，再用非静电力做功：W=,最后根据能量守恒定律，得到=，即：、 、。教材3跟教材1一样，分电动势和闭合电路的欧姆定律两节进行阐述。3、 三种教材的优、缺点分析教材1的最大特点是用实验的方法直观地展示了内、外电压与电动势的大小关系，由它们的大小关系结合部分电路欧姆定律，很自然地得出闭合电路欧姆定律，学生也很容易接受。教材1的不足之处在于对电动势概念的描述过于简单，而且电动势的定义在科学性、准确性、严密性方面值得商榷。另外在讨论路端电压与电流关系也过于简单。教材2最大的特点用儿童滑梯形象的比喻，揭示了内、外电压与电动势之间的关系。这样的比喻学生还是能很好地接受，对电动势与内、外电压的关系有个感性的认识。同时在讨论路端电压与电流关系比较详尽，并且运用图像来讨论两者之间的关系，比较直观。教材 2不足之处是忽视了内部电动势的具体变化，在电源内部，电势在正负两极附近都会“跃升”。显然教材3的图3比教材2的图2更加科学、合理。同时在描述电动势概念也同样过于简单，在科学性、准确性方面有一定缺限。教材3最大的特点教材另辟蹊径，从能量的角度入手分析了内外电路。从电场力、非静电力作用分析了内、外电路中电势的变化情况，从能量守恒定律得出闭合电路的欧姆定律。其次，这版教材改进了教材2的缺限，比较科学地揭示电势在正负两极附近都会“跃升”，在内外电阻上都有电势降低，图3能比较科学、准确地表示闭合电路的电势变化情况。同时这版教材对电动势的描述相对详尽，在科学性方面也有所改进。另外这版教材还延续了教材2的特点，运用实验探究路端电压与电流关系，并用U-I图象直观地讨论两者之间的关系。教材3最大的问题在于学生对非静电力概念缺少物理表象，对非静电力做功缺少相应的物理模型，所以理解起来有一定的难度，这也许是教材2回避的原因。4、 重组素材、优化课堂教学，注重探究的教学设计（一） 实验创设质疑情境引入课题“ 学贵有疑，大疑则大进，小疑则小进”。根据认知理论，教学过程应该是不断地提出问题并解决问题的方式来取得新知识的思维过程。在教学过程中，教师若能巧妙地抓住时机，设疑导学，就能更好地激发学生的学习兴趣和学习欲望，引发他们的想象、并能激发学生探究的欲望。为此笔者创设了这样一个实验情境：准备两个电源，一个是两节新干电池，另一个是四节旧电池组成的电源，一个额定电压是3、8V的小灯泡。先用两节新电池接到灯泡，小灯泡亮了。然后用四节旧电流接到同一个灯泡上，实验前教师先提出一个问题：灯泡接到四个电池上会不会更亮些?全体同学几乎毫无例外地回答道：会亮得多，而且有的同学还绘声绘色地讲到灯泡闪亮一下，然后因电压过高而烧坏灯泡。这时教师再做实验，结果与学生的心理预期完全相反，灯泡不仅没有烧坏，而且比二节新干电池更暗。这时教师提出示学生，这四节是旧电池。有同学马上提出四节旧干电池电动势不足，然后教师再用电压表测量了四节干电池的电动势，令学生不解的是四节旧电池的电动势竟还有6V。顿时又使学生感到不可思议，进而引发疑问：问题出在哪里?为什么会这样？学生这种由惊奇到困惑，由困惑到急于求解的心理过程，是教师创设情境造成学生认知不协调的必然反应，产生出强烈的探究欲望。然后有学生建议再次测量通电情况下灯泡两端的电压。令人意外的实验结果 ，这时小灯泡两端的电压显示才1V左右，这个实验结果引起了学生的极大的探究兴趣。 （二） 实验探究，化解难点探究内、外电压与电动势的关系S2图4对于上面实验小灯泡两端的电压明显小于电源的电动势，有同学猜想电源内部也有电势降低。教师引导：用什么样的方法去测定电源内部的电压？教师适时提出实验方案：采用可变内阻铅蓄电池。因普通铅蓄电池的内阻较小，内电压较小，不易准确测量内电压。为此笔者采用气压式可变内阻铅蓄电池，实验装置如图4所示。实验中，先闭合开关S1，用V1测出断路时电源两端的电压U，再闭合S2，用V1、V2的分别测出外电压U1、内电压U2，通过实验，证实电源内部电势也会降低。接着接上V3 、V4，用V3测量 “+”极与探针A极之间的电压、用V4测量“”极与探针B极之间的电压，这样探究了整个闭合电路的电势变化情况。通过实验得出，沿电流方向，在外电阻和内部两探针间电势都降低，在电源的正、负极附近电势都会 “跃升”，而且电源内外降低的电势跟内部“跃升”的电势大致相等。为什么会出现这种情况，怎样解释这种现象呢？教师可以引导学生从电场力与非静电做功解释这个现象。在电源外部，电流从“+”极经外电阻到“”极，正电荷受电场力作用，沿电流方向电势降低，在电源内部，电流从探针B经电源内部到探针A，也存在电场力作用，沿电流方向电势降低。特别指出，在电池的正极和负极附近分别存在着化学反应层，反应层中非静电力（化学作用）把正电荷从电势低处移至电势高处，在这两个地方，沿电流方向电势“跃升”。这样的处理使学生对非静电力做功不再那样空洞，便于理解，大大地降低了难度。同时教师可以运用教材的插图3来形象地说明整个回路的电势变化情况，这样可以使学生加深电势变化的印象。接着用能量守恒定律推导出闭合电路的欧姆定律，进一步推导得出外内，这跟实验得到的结果吻合。这样，通过“ 猜想实验推理验证” 顺理成章地得出闭合电路欧姆定律, 教学重点、难点顺利落实。（三）巧用类比法，增进理解内、外电压与电动势的关系为了使学生更好理解内、外电压与电动势的关系，教师还可以采用类比方法。采用教材2儿童滑梯做比喻进行形象的说明，借助于多媒体播放flash 课件, 升降机举起的高度相当于电源的电动势, 儿童滑梯两端的高度差相当于内、外电阻两端的电势差， 化抽象为具体, 加深对电动势概念的理解。另外也可用“收支问题”进行类比，同样能取得良好效果。比如小华爸爸的一天收入是100元，小华爸爸自己一天的吃喝消费需20元，剩下的80元用于家庭其他开支。这100元说明小华爸爸挣钱能力，相当于电源电动势( 具有将其他形式的能转化为电能的本领)，这20元相当于内电压，80元相当于外电压。这样, 学生对电源的电动势的理解就会更透彻。图5（四）知识的深化实验探究路端电压与负载关系可以用如图5探讨路端电压随外电阻变化的规律。通过实验，得到结论：随外电阻的增大, 电流逐渐减小,路端电压增大；随外电阻减小时，电流增大，路端电压减小。这个实验结论与前面学过的部分电路欧姆定律有出入，在部分电路中，对于一个定值电阻，电流随电压的增大而增大，电流随电压的减小而减小，这样两者的认知产生了冲突。于是教师进一步分析: 在全电路中，因E，r是定值，由 可得U=EIr，当外电阻增大时，电流减小，内电压减小，路端电压随之增大。反之，当外电阻减少时，电流增大，内电压增大，路端电压随之减小。提示学生理解电源的内阻是直接导致路端电压发生变化的根本原因。（五）图象形象展示电源的特性曲线（路端电压U随电流I变化的图象） 对于路端电压跟电流的关系，我们可以跟据图5实验的数据，借用Excel图表功能，作出U-I图象形象地展示路端电压U随电流I变化。从图象中形象地展示了路端电压U随电流函数关系：U=EIr，而且U随I增大而减小。图线的U轴截距表示电源的电动势E； I轴截距表示电源的短路电流 ；图线斜率的绝对值表示电源的内阻大小。教师还可以通过与电阻的伏安特性曲线进行比较，使学生更好地理解电源的特性曲线。 （六）知识的拓展与升华学生在学习了闭合电路欧姆定律后, 对导入实验的现象就有了很好的解释。教师可以创设问题情境释疑：1、两节新电池组成的电源的电动势为3 V, 内阻较小，大小约为1 , 当外电阻为时, 电路中的电流I 1为多少 ?2、四节旧电池组成的电源，电动势为6V，内阻为8, 当外电阻为时, 电路中的电流I 2 是多少?通过具体的运算, 学生终于明白流过