第六节 电源电动势及内阻的测量教学设计高中物理必修第三册沪科版（2020·上海专用）

第六节电源电动势及内阻的测量教学设计高中物理必修第三册沪科版（2020·上海专用）授课专业和授课专业和年级授课章节XxXx题目Xx授课时间2025年10月设计意图一、设计意图通过实验测量电源电动势和内阻，深化学生对闭合电路欧姆定律的理解，掌握伏安法测电源电动势和内阻的原理、电路设计及数据处理方法（如图像法），培养学生实验操作能力、误差分析能力和科学探究精神，紧密联系课本实验内容，引导学生从理论走向实践，解决实际问题。核心素养目标二、核心素养目标深化闭合电路欧姆定律及电动势、内阻的物理观念；通过实验设计与图像数据处理（U-I图像），发展科学推理与模型建构能力；经历实验操作、误差分析过程，提升科学探究与问题解决能力；培养严谨求实的实验态度，体会物理测量在技术实践中的应用价值。学习者分析三、学习者分析学生已掌握闭合电路欧姆定律、电源电动势及内阻的概念，会使用电压表、电流表测量电压和电流，具备基本电路连接和图像处理能力。对实验操作兴趣较高，动手能力较强，但部分学生数据分析系统性不足。可能遇到的困难：实验中电路连接错误（如电表正负极接反）、数据采集时滑动变阻器调节不当导致数据点分布不合理；对U-I图像斜率和截距的物理意义理解模糊，难以准确求解电动势和内阻；对电表内阻引起的系统误差分析能力较弱，难以设计减小误差的改进方案。教学资源准备四、教学资源准备教材：每位学生配备沪科版高中物理必修第三册课本，确保能查阅第六节“电源电动势及内阻的测量”相关内容。辅助材料：准备课本中的实验电路图、U-I图像示例及数据处理案例视频，辅助学生理解实验原理。实验器材：每组配备电源（干电池）、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线等，器材需经安全检查，确保量程匹配、性能完好。教室布置：设置分组实验操作台，每组4-6人，便于合作完成实验操作与数据分析。教学过程设计**1.导入新课（5分钟）**

目标：激发学生对电源电动势及内阻测量原理的探索兴趣，建立理论与生活的联系。

过程：

教师提问：“手机电池用久了为什么会变快没电？这与电源的哪些特性有关？”展示课本图6-1（不同新旧电池的放电曲线对比图）和干电池实物。引导学生观察新旧电池放电差异，引出“电源电动势和内阻是决定电池性能的关键参数”的概念，点明本节课目标：通过实验测量这两个参数。

**2.闭合电路欧姆定律与测量原理讲解（10分钟）**

目标：巩固测量实验的理论基础，明确实验设计逻辑。

过程：

（1）复习闭合电路欧姆定律：$E=U_{\text{外}}+U_{\text{内}}=IR+Ir$（板书）。

（2）讲解测量原理：通过改变外电阻$R$，测量对应的路端电压$U$和电流$I$，建立$U-I$关系方程组求解$E$和$r$。

（3）展示课本图6-6（伏安法测电源电动势和内阻的电路图），强调电压表并联、电流表串联的连接方式，说明滑动变阻器调节电流的作用。

**3.实验方案设计与案例分析（20分钟）**

目标：通过典型实验案例，掌握操作步骤与数据处理方法，理解误差来源。

过程：

（1）**案例1：伏安法测干电池参数**

-展示课本实验步骤：连接电路→调节滑动变阻器记录6组$(U,I)$数据→绘制$U-I$图像→由斜率求$r$、截距求$E$。

-分析数据案例：提供课本表6-1示例数据（$U$随$I$线性变化），演示图像拟合过程（斜率$k\approx-0.5\Omega$，截距$b\approx1.5V$），得出$E=1.5V$，$r=0.5\Omega$。

-误差讨论：电流表外接（测得$r$偏大）与电压表内接（测得$E$偏小）的对比，结合课本图6-7说明系统误差原因。

（2）**案例2：替代法改进实验**

-简述课本“做一做”栏目内容：用电阻箱和电压表替代电流表，减少电表内阻影响（$E=U$，$r=\frac{U}{I}-R$）。

（3）**小组任务**：讨论“如何减小电表内阻引起的系统误差？”每组提出一种改进方案并说明原理。

**4.学生小组讨论（10分钟）**

目标：深化误差分析能力，培养合作探究意识。

过程：

（1）分组：4人一组，每组分配讨论主题：

-A组：电流表外接法误差修正方案；

-B组：电压表内接法误差修正方案；

-C组：设计一种减少电表内阻影响的电路。

（2）要求：结合课本知识，分析误差来源，提出具体改进措施，记录关键结论。

**5.课堂展示与点评（15分钟）**

目标：强化实验设计思维，提升表达与批判能力。

过程：

（1）小组代表发言（每组3分钟）：

-A组：提出“补偿法”使用已知电动势电源抵消电流表分压；

-B组：建议用高内阻电压表减小分流误差；

-C组：设计“电压表+电阻箱”替代电流表方案（课本P99）。

（2）师生互评：教师引导分析方案可行性，强调“等效替代”思想（如C组方案直接对应课本公式）。

（3）总结：明确伏安法是基础，改进方案需权衡操作复杂性与精度。

**6.课堂小结（5分钟）**

目标：梳理核心知识，衔接后续学习。

过程：

（1）回顾：测量原理$U=E-Ir$、图像法处理数据、误差分析要点。

（2）强调：电动势$E$反映电源转化能本领，内阻$r$影响能量输出效率（联系课本图6-1）。

（3）作业：

-基础：完成课本P98“练习与评价”第1题（$U-I$图像分析）；

-拓展：设计实验方案测量一节旧干电池的$E$和$r$，预估误差范围。教学资源拓展**1.拓展资源**

（1）**测量方法的对比与延伸**

沪科版教材重点介绍了伏安法测电源电动势和内阻，拓展可补充安阻法（用电流表和电阻箱）和伏阻法（用电压表和电阻箱）。安阻法通过改变电阻箱阻值$R$，记录电流$I$，由$E=I(R+r)$变形为$\frac{1}{I}=\frac{r}{E}\cdot\frac{1}{R}+\frac{1}{E}$，以$\frac{1}{I}$为纵坐标、$\frac{1}{R}$为横坐标作图，斜率为$\frac{r}{E}$、截距为$\frac{1}{E}$，可求解$E$和$r$；伏阻法则通过记录电压$U$和电阻箱阻值$R$，由$E=U+\frac{U}{R}r$变形为$U=E-\frac{r}{E}U$，以$U$为纵坐标、$\frac{U}{R}$为横坐标作图，斜率为$-\frac{r}{E}$、截距为$E$。这两种方法可避免电表内阻的系统误差，适合学有余力的学生深入探究。

（2）**误差分析的深化**

教材提到电流表外接时电压表测的是路端电压与电流表电压之和，导致测得的$r$偏大；电压表内接时电流表测的是干路电流，电压表测的是路端电压，理论上无系统误差，但实际电压表内阻并非无穷大，仍存在微小误差。拓展可引入“补偿法”：用已知电动势$E_0$的电源与检流计串联，调节滑动变阻器使检流计示数为零，此时待测电源路端电压$U=E_0$，电流$I=\frac{E_0}{R}$，从而消除电表内阻影响。此外，随机误差可通过多次测量求平均值、改进数据处理方法（如最小二乘法拟合$U-I$图像）减小。

（3）**实际应用案例**

电源电动势和内阻的测量在技术实践中广泛应用。例如，干电池生产中需通过测量$E$和$r$筛选合格产品，内阻过大的电池会导致放电电压骤降，影响设备使用；新能源汽车的动力电池管理系统（BMS）实时监测电池组内阻，内阻增大预示电池老化，需及时预警；实验室中可调直流电源的输出特性（$U-I$曲线）通过测量绘制，用于验证电源最大输出功率条件（$R=r$）。这些案例可帮助学生理解物理知识的实用价值。

（4）**物理思想与跨学科联系**

测量实验中蕴含“控制变量法”（保持电源不变，改变外电阻获取多组数据）、“等效替代法”（用电阻箱等效外电阻）和“图像法转换”（将非线性方程$U=E-Ir$转化为线性关系）。此外，内阻与温度的关系（如锂电池内阻随温度降低而增大）可联系化学中的电化学知识，电动势与能量转化效率的关系可联系能量守恒定律，体现物理学科的综合性。

**2.拓展建议**

（1）**实验探究拓展**

建议学生分组完成“不同测量方法对比实验”：用同一节干电池分别采用伏安法（电流表外接）、安阻法、伏阻法测量$E$和$r$，记录数据并计算相对误差，分析各方法的优缺点（如伏安法操作简单但误差较大，安阻法精度高但需电阻箱）。还可探究“新旧电池内阻差异”：用伏安法测量新干电池、使用半年后的干电池和旧干电池的$r$，绘制$U-I$图像，比较内阻变化，结合电池容量衰减原理解释现象。

（2）**理论深化拓展**

引导学生推导“电源输出功率与外电阻关系”：由$P=I^2R=\frac{E^2R}{(R+r)^2}$，对$R$求极值得$R=r$时$P_{max}=\frac{E^2}{4r}$，并结合$U-I$图像分析（当$U=\frac{E}{2}$时输出功率最大）。进一步思考：若电源内阻$r$随电流变化（如铅蓄电池$r$随电流增大而增大），输出最大功率的条件是否仍为$R=r$？查阅资料了解“非线性内阻”对电源性能的影响。

（3）**生活联系拓展**

观察生活中的电源设备：如手机充电器（输出直流电源）、电动车充电桩、太阳能电池板，查阅其铭牌参数（标称电压、内阻范围），思考内阻对设备使用的影响（如充电器内阻过大会导致输出电压下降，充电速度变慢）。用多用电表测量不同型号电池（如5号电池、9号电池、锂电池）的内阻，分析电池容量与内阻的定性关系，撰写“生活中的电源参数”小报告。

（4）**科技前沿拓展**

关注新能源领域中的电池技术：如固态电池与传统锂电池相比，电解质电导率提高，内阻显著降低，能量密度和循环寿命提升。查阅资料了解“内阻在线监测技术”，如通过交流阻抗法（给电池施加微小交流信号，测量响应电压和电流相位差）实时监测电池内阻变化，应用于电池健康管理（BMS）。思考：为何电动汽车电池组需配备多个温度传感器？温度对内阻的影响如何制约电池低温性能？课堂小结，当堂检测课堂小结：本节课通过实验测量电源电动势和内阻，核心掌握伏安法原理（U=E-Ir），理解U-I图像的物理意义（斜率绝对值为内阻r，纵截距为电动势E），明确电流表外接时r测量值偏大、电压表内接时E测量值偏小的系统误差来源，掌握通过多组数据描点作图减小随机误差的方法，体会闭合电路欧姆定律在实验中的具体应用。

当堂检测：

1.某同学用伏安法测电源电动势和内阻，得到U-I图像如图（课本P98图6-8所示），则电源电动势E=______V，内阻r=______Ω。

2.关于伏安法测电源电动势和内阻，下列说法正确的是（）

A.电流表应采用内接以减小系统误差

B.U-I图像纵截距表示电源电动势

C.滑动变阻器阻值过小时，会导致电流表烧毁

D.多次测量取平均值可消除系统误差

3.若实验中电压表内阻为RV，电流表内阻为RA，采用电流表外接法，测得电动势和内阻分别为E'、r'，则E'______E（填“>”“<”或“=”），r'______r（填“>”“<”或“=”）。

答案：1.1.51.02.B3.<>教学反思与总结教学反思中，实验操作环节发现部分学生电路连接不够熟练，尤其是滑动变阻器分压式接法易出错，需在后续实验前强化基础训练。误差分析讨论时，学生对系统误差来源理解较浅，仅能机械记忆结论，下次可增加对比实验（如电流表内外接法数据对比），引导学生自主推导。课堂时间分配上，小组讨论稍显仓促，部分小组未能充分展示改进方案，应压缩理论讲解时间，保障探究环节深度。

教学总结看，学生基本掌握了伏安法测电源电动势和内阻的操作流程，能通过U-I图像求解参数，但对图像物理意义的理解仍停留在表面，如无法解释斜率绝对值为何等于内阻。情感态度上，实验兴趣浓厚，但数据处理严谨性不足，需加强科学态度培养。针对问题，建议增加一节实验误差专题课，结合课本P99“做一做”栏目深化等效替代思想；同时设计分层任务，基础层完成课本练习，进阶层设计内阻随温度变化的探究实验，兼顾全体学生发展。板书设计①测量原理与电路

-核心公式：闭合电路欧姆定律$E=U_{\text{外}}+U_{\text{内}}=IR+Ir$，测量式$U=E-Ir$

-实验电路：电压表并联（测路端电压$U$）、电流表串联（测干路电流$I$）、滑动变阻器（改变外电阻$R$，获取多组数据）

-关键操作：开关断开时$U=E$（电压表示数近似电动势）

②数据处理方法

-图像法：绘制$U-I$图像，纵截距$b=E$（电动势），斜率$k=-r$（内阻绝对值）

-数据要求：至少6组数据，$I$从大到小变化，避免电流过小导致误差增大

-减小误差：多次测量求平均值，用直尺拟合直线，剔除偏离点