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  《测量电池电动势和内阻》是人教版物理选修3-1第二章第9节的内容。此部分内容和原来人教版必修加选修相应的学生分组实验形式有很大的改动,使之更符合学生的实际生活。在配套“教师教学用书”中对本节的教学目标作了如下叙述:(1)知道测量电源电动势和内阻的实验原理。进一步感受电源路端电压随电流变化的关系。(2)经历实验过程,掌握实验方法,学会根据图象合理外推进行数据处理的方法。(3)尝试进行电源电动势和内阻测量误差的分析。了解测量中减少误差的方法。(4)培养仔细观察,真实记录实验数据等良好的实验习惯和实事求是的品质。教学目标中用了“知道”、“感受”、“经历”、“尝试”、“培养”等词语,体现了新课标中的三维目标,促进学生智慧的发展。为了达到教学目标,本人就尽量把时间还给学生,让学生动手动脑,在“做中学”,产生智慧。

 

  【课前准备

 

  根据教材的思想,我让学生带一个水果(如桔子、西红柿、梨、苹果、土豆等),一小段铁丝(铁片)和一小段铜丝(铜片)。学生分组经历水果电池,即为化学的原电池,但换成物理角度,我们测量电动势和内阻。

 

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水果                           铜丝和铁丝
图1

 

  【探究活动

 

  老师把水果(或一节干电池)、电表、导线和开关分发给各组,然后做个简单的讲解介绍。

 

电路图

原理

仪器

学生电流表、学生电压表、一节旧干电池、滑动变阻器、导线和开关

一个水果、电阻箱、J0415电流计、一小段铁丝、一小段铜丝、导线和开关

一个水果、电阻箱、学生电压表、一小段铁丝、一小段铜丝、导线和开关

 

  对于学生电表,学生在初中已用过,同时在“串联电路和并联电路”学习了电表的改装,对电表有理论原理的理解,所以不必对它多说,可是水果电池的电流很微弱,用学生电流表无法读出示数,故用J0415电流计,学生是陌生,需要进行介绍。J0415 型微安表适合本实验使用,量程0200μA,内部电路如图2所示。接“-”和“G0时内阻为500Ω,接“-”和“G1时内阻为2500Ω。二极管D1D2作过载保护。

 

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图2

 

  任务布置:(1)探究什么样的水果,电能更大?(2)对于同一水果,两段金属怎样插才会有更大的电流:平行还是不平行?深插一点还是浅一点?远一些还是近一些?(3)如何处理数据?

 

  学生热情非常高,在教室里忙开了,进行着实验。

 

 

  

 

  做完实验,每组派一名代表上台讲叙他们的过程,交流他们的感受和结果。图4是部分学生的实验报告。

 

 

  【交流结果

 

  同一种水果,如西红柿,有组得到这样的数据:近浅插电动势E=012V,近深插电动势E=017V;远浅插电动势E=005V,远深插电动势E=008V。因此,近比远水果电池能力更强、深插比浅插水果电池能力更强。不同水果,如土豆、苹果、梨、桔子和西红柿,测得西红柿水果电池电能最强,土豆最弱,即淀粉越多的电能越差,酸性越强的电能越强,这与化学原电池理论是一致的。

 

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图5                                        图6

 

  一节干电池,我们采用U~I图象,利用Excel软件的图表向导,绘制成如图5所示。如何得到电池的电动势和内阻呢?由,结合教材资源图6所示。可知:与纵坐标的交点即为电池电动势E,这条直线斜率的相反数即为内阻r。因此把图5直线两边延长,得到图7。从图观察出:电池电动势E=142V,内阻。追问:图6横坐标的截距电流I=0093A表示短路时的电流,那么图7中横坐标的截距电流I=042A也是短路时的电流吗?从纵坐标的起点就能得到答案。

 

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图7

 

  这种图象处理给了我们启示,水果电池的数据也可以这样处理。以用一只电流表和电阻箱测量为例。如图8所示,改变电阻箱R的阻值,测出不同阻值时对应的电流表的示数,设分别为R1I1R2I2。设被测电源的电动势和内阻分别为Er,电流表的内阻为RA,则由闭合电路欧姆定律可得:

 

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图8

 

  E=IR+r+RA),     

 

  (1)将①式转化变为:

 

  

 

  即要求作出图线,见图9所示,此直线的斜率为电源电动势E,对应纵轴截距的绝对值为电源的内阻r

 

9

 

 

  (2)或将①式转化变为:

 

  

 

  即要求作出图线,见图10所示,此直线的斜率为电源电动势E,对应纵轴截距的绝对值与电流表内阻RA的差为电源的内阻r

 

10

 

 

  (3)或将①式转化变为:

 

  

 

  即要求作出图线,见图11所示,此直线的斜率的倒数为电源电动势E,对应纵轴截距除以斜率再与电流表内阻RA的差为电源的内阻r

 

11

 

 

  (4)或将①式转化变为:

 

  

 

  即要求作出图线,见图12所示,此直线的斜率的倒数为电源电动势E,对应纵轴截距除以斜率为电源的内阻r

 

12

 

 

  通过这一系列的图象处理,加强了学生图象能力,符合新课标的要求,强化了学生数学在处理物理问题的意识。

 

  【误差分析

 

  实验避免不了误差,那么本实验测出来的电动势和内阻与真实值是什么关系?

 

13

 

 

  以测一节干电池为例,由电路图可知,因为电压表的分流作用,导致电源电流要比电流表的电流大,而电压表的电压即为路端电压是准确的,所以反映在U~I图象中,在相同的电压U下,横坐标电流的值都应该增大向右移,但是当电路发生短路时,电压表的读数为零,短路时的电流不变,即横坐标的电流截距不变。画出测量值与真实值的U~I如图13所示。从图象很快知道:,即测量出来的电动势和内阻都偏小。

 

  【教学反思

 

  新课标提供了许多资源,如教材中的资源更丰富,更有利用于教与学,需要的是我们一线老师大胆的尝试,不要被高考指挥棒完全所束缚,它提倡的多种教学方式、多样学习方法,使我们课堂更精彩、符合学生个性发展的需要。

 

  原以为放手留时间给学生,学生会一团糟,可事实证明,它能激发学生潜能,活跃物理教学气氛,从而增强学生学习物理的兴趣。给学生一块天空,他(她)可能创造出来了老师吃惊的过程和结果。学生在做的过程中,智慧就从他(她)的手指间流出,能力得到提高。

    
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