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用探索法進(jìn)行“閉合電路歐姆定律”的教學(xué)探討在《閉合電路歐姆定律》這一節(jié)里,教科書(shū)上用可改變內(nèi)阻的電源,研究電源電動(dòng)勢(shì)跟閉合電路的端電壓和內(nèi)電壓的關(guān)系,然后推導(dǎo)出定律。這種方法,實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單;課堂上用的時(shí)間少;學(xué)生只要接受現(xiàn)成的結(jié)論就可以了。但這個(gè)方法也有明顯的不足:①由于可變內(nèi)阻電源的本身以及測(cè)量?jī)x器等原因,內(nèi)電壓的測(cè)量誤差較大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想,有時(shí)甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。②由于可變內(nèi)阻電源電動(dòng)勢(shì)較低(約2V)無(wú)法利用量程為10V的演示電壓表,只能使用其他體積較小的電壓表測(cè)量,多數(shù)學(xué)生無(wú)法直接觀察電壓表的讀數(shù),這也會(huì)影響演示實(shí)驗(yàn)的效果。③大多數(shù)的電源它的內(nèi)電壓很難測(cè)量,因此對(duì)于通過(guò)研究電路的端電壓和內(nèi)電壓的實(shí)驗(yàn),然后得到規(guī)律的這種研究方法學(xué)生很難理解。根據(jù)歷史資料,歐姆也不是通過(guò)研究電源的端電壓和內(nèi)電壓發(fā)現(xiàn)閉合電路的歐姆定律的。在歐姆那個(gè)時(shí)代,沒(méi)有電流表、電壓表。甚至連電阻這一基本概念也尚未建立。歐姆自制了電源和測(cè)量?jī)x器,通過(guò)研究電路中的電流和外電阻相對(duì)應(yīng)的另外兩個(gè)物理量,最后才發(fā)現(xiàn)了閉合電路的歐姆定律。受到上述啟發(fā)。我想能否改進(jìn)電源;使用演示電表;采用常用的探索規(guī)律的研究方法,讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下,自己去探索閉合電路的歐姆定律呢?經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和研究,我采用了以下的做法:把這節(jié)課放在實(shí)驗(yàn)室上。講臺(tái)上有演示儀器,實(shí)驗(yàn)桌上有學(xué)生儀器。這樣做的目的是把演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。講臺(tái)上的儀器有:改進(jìn)可變內(nèi)阻電源(電動(dòng)勢(shì)6V,內(nèi)阻約20Ω)一個(gè)、演示電壓表(量程10V)一個(gè)、演示電流表(量程100mA)一個(gè)、電阻箱一個(gè)、電鍵一個(gè)、導(dǎo)線若干。改進(jìn)的可變內(nèi)阻電源由三個(gè)J2365可調(diào)內(nèi)阻電池組成。每個(gè)可調(diào)內(nèi)阻電池的電動(dòng)勢(shì)2V、內(nèi)阻調(diào)到約7Ω。把這三個(gè)電池串聯(lián)起來(lái),就成為電動(dòng)勢(shì)為6V,內(nèi)阻約20Ω的電源了。學(xué)生實(shí)驗(yàn)桌上的儀器有:學(xué)生電壓表(量程3V)一個(gè);1號(hào)、5號(hào)、7號(hào)干電池各1個(gè),已充電的1號(hào)、5號(hào)充電電池各1個(gè)。根據(jù)《閉合電路歐姆定律》這節(jié)課的具體情況,制訂出這節(jié)課的知識(shí)結(jié)構(gòu)和方法教育因素的流程圖:在這節(jié)課的教學(xué)中,筆者采取了下列措施和教學(xué)步驟:一、課題引入讓學(xué)生用電壓表分別測(cè)各種干電池和各種充電電池的電壓。測(cè)量結(jié)果,學(xué)生發(fā)現(xiàn):同類電池沒(méi)有接入電路時(shí)二極的電壓都相同,不同類的電池這個(gè)電壓各不相同。我們把電池沒(méi)有接入電路時(shí)二極的電壓大小稱為電源電動(dòng)勢(shì),用E來(lái)表示,單位是伏特。接著老師指出:電源接入電路后,電路二端就有電壓,電路中的電阻上就通過(guò)電流。那么電源電動(dòng)勢(shì)和這些物理量有什么關(guān)系呢?我們能不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律呢?這時(shí)學(xué)生開(kāi)始動(dòng)腦了,但還不知如何動(dòng)手。二、探索規(guī)律①正當(dāng)學(xué)生不知怎么辦時(shí),老師提出:為了研究電路中的端電壓、電阻、電流與電源電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系,需要一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娐穲D。你能否設(shè)計(jì)出這個(gè)電路圖呢?大家畫(huà)畫(huà)看。這時(shí)學(xué)生邊思考、邊議論、邊畫(huà)圖,氣氛很活躍。不一會(huì),畫(huà)出了好幾個(gè)電路圖,其中主要有以下4個(gè):這時(shí)老師讓學(xué)生比較這4個(gè)電路圖。經(jīng)過(guò)比較學(xué)生想到圖2(A)和圖2(B)電阻R的阻值大小無(wú)法測(cè)量,所以應(yīng)該放棄。然后老師指出圖2(C)和圖2(D)從原理上說(shuō)差不多。但現(xiàn)在我們研究的是電源和電路的關(guān)系,圖2(D)電壓表測(cè)的是電源兩端的電壓。圖2(C)由于電流計(jì)有內(nèi)阻,電壓表測(cè)的是電阻R兩端的電壓。所以圖2(D)比圖2(C)好。我們用圖2(D)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。②做演示實(shí)驗(yàn):先用演示電壓表測(cè)出演示電源的電動(dòng)勢(shì)并記錄。然后按圖2(D)把演示儀器連成電路,用投影儀展示出表1:按表1,R這格的數(shù)值由大到小逐個(gè)改變電阻箱的阻值,讀出電表中相應(yīng)的電流和電壓的讀數(shù),并記錄,填入表1,直至完成實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如下:③得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2后,老師可以讓學(xué)生回憶研究物理規(guī)律時(shí)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的處理方法——圖像法。然后讓學(xué)生根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分組畫(huà)出I—R圖像、U—R圖像、U—I圖像見(jiàn)圖3(每個(gè)學(xué)生只畫(huà)其中的一個(gè))。畫(huà)完后找學(xué)生把三個(gè)圖像的形狀分別向全班同學(xué)介紹:然后要求學(xué)生從這三個(gè)圖像中挑出一個(gè)便于研究規(guī)律的圖像。學(xué)生比較這三個(gè)圖像后不難發(fā)現(xiàn)I—R圖像和U—R圖像都是曲線,從這兩個(gè)圖像,一時(shí)很難找出什么規(guī)律,而U—I圖像為一條直線。但這條直線和電源電動(dòng)勢(shì)的聯(lián)系,有的學(xué)生一時(shí)還找不出來(lái)。(在學(xué)生畫(huà)圖像時(shí),老師在黑板上根據(jù)表2畫(huà)出U—I圖像)。這時(shí)老師可以在表2的最后空格里填上:R無(wú)限大,I=0,U=6.0V=E,并把黑板上U—I圖像的直線延長(zhǎng)到與U軸相交,并在相應(yīng)位置填上E=6.0V。因此從實(shí)驗(yàn)得到U—I圖像為一條直線,該直線的截距就是電源電動(dòng)勢(shì)(圖像如圖4)。④利用數(shù)學(xué)知識(shí),從上述圖像可以得到r與I、U無(wú)關(guān)),因此E=U+I(xiàn)r⑤分析實(shí)驗(yàn)中r(tga)的物理意義:由于U=IR,所以E=U+I(xiàn)r=IR+Ir=I(R+r),該式反映:R可以與r相加,這說(shuō)明r與R一樣是一種電阻。在我們研究的問(wèn)題中只有一個(gè)電路,這個(gè)電路可以分成電源外部的電路和電源內(nèi)部的電路。外電路的電阻已經(jīng)由R完全表示了,剩下的r顯然就表示電源內(nèi)部的電阻。這就是r(tga)的物理意義。三、得到規(guī)律從上述的E=I(R+r)可得:這表明:閉合電路的電流跟電源的電動(dòng)勢(shì)成正比,跟整個(gè)電路的電阻成反比,這就是閉合電路的歐姆定律。四、小結(jié)讓學(xué)生回憶這節(jié)課的過(guò)程,討論并做小結(jié),最后把小結(jié)用投影展示。通過(guò)這節(jié)課的探索法教學(xué),可讓學(xué)生體會(huì)到這種方法有以下優(yōu)點(diǎn):①這一實(shí)驗(yàn)由于改進(jìn),電源內(nèi)阻較大(大約20Ω),所以即使所用儀表精確度較差,但是演示實(shí)驗(yàn)結(jié)論的一致性仍然很好。最近在四個(gè)班級(jí)采用這個(gè)方法進(jìn)行教學(xué)。每個(gè)班級(jí)都是當(dāng)堂實(shí)驗(yàn)、當(dāng)堂記錄數(shù)據(jù)、當(dāng)堂作出圖像。雖然演示電表精確度較差,各班實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都有差異(電源內(nèi)阻不完全相同),但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致性卻很好:U—I圖像為一條直線,I—R圖像和U—R圖像為曲線。②能調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性,學(xué)生容易接受,在課堂上學(xué)生不但學(xué)習(xí)了知識(shí),而且初步領(lǐng)會(huì)了科學(xué)研究的方法。這種
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