陳克服

【摘要】高中物理實驗是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和促進深度學(xué)習(xí)的重要途徑．本文以“測量電源電動勢和內(nèi)阻”實驗的創(chuàng)新方案為例，探討實驗的創(chuàng)新思路，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的實踐能力和深度學(xué)習(xí)效果，為高中物理實驗教學(xué)提供有益的參考.

【關(guān)鍵詞】高中物理；深度學(xué)習(xí)；實驗教學(xué)

高中物理實驗是物理教學(xué)中的重要組成部分，它不僅能夠幫助學(xué)生理解和掌握物理知識，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新實踐能力．然而，傳統(tǒng)的高中物理實驗教學(xué)往往存在著一些問題，如實驗器材陳舊、實驗方法單一、實驗教學(xué)過程缺乏創(chuàng)新性等．這些問題限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展和深度學(xué)習(xí)的效果．因此，教師需要探索一些新的實驗創(chuàng)新方案，以提高高中物理實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果．

1 創(chuàng)新實驗方案，拓展思維

例1 疊層電池的性質(zhì)與普通干電池相同，但它具有體積小、輸出電壓高的特點．為測量某疊層電池的電動勢E和內(nèi)阻r，該同學(xué)利用下列器材設(shè)計了如圖1所示的測量電路：A．待測電池；B．定值電阻R0（30.0Ω）；C．理想電壓表V1（量程為15V）；D．理想電壓表V2（量程為3V）；E．滑動變阻器R（最大阻值為500Ω）；F．開關(guān)一個，導(dǎo)線若干．

回答下列問題：

（1）閉合開關(guān)前，應(yīng)將滑動變阻器R的觸頭置于 ??（選填“最左端”或“最右端”）；

（2）實驗中，調(diào)節(jié)R觸頭的位置，發(fā)現(xiàn)當電壓表V1讀數(shù)為6.0V時，電壓表V2讀數(shù)為1.96V，此時通過電源的電流為???mA；（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）;

（3）多次改變R接入電路的電阻，讀出多組V1和V2的示數(shù)U1，U2，將（2）中的點描在圖2中，連同已描出的點作出U1-U2的圖象；

（4）由U1-U2圖象可知該疊層電池的電動勢E = ??V，內(nèi)阻r = ??Ω．（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）

解析 （1）為保護電壓表，閉合開關(guān)前，應(yīng)將滑動變阻器有效阻值調(diào)至最大，故R的觸頭置于最左端．

（2）電壓表為理想電表，則電流為I=U2R0=1.9630A≈65.3mA.

（3）描出U1為6.0V，U2為1.96V的點，結(jié)合已描出的點，讓盡可能多的點分布在線上，或均勻分布在線的兩側(cè)，作出U1-U2的圖象如圖3所示．

（4）因E=U1+U2R0r，得U1=E－rR0U2，可知U1-U2圖象的縱軸截距等于電源電動勢，則有E =14.0V，U1-U2圖象斜率的絕對值為k=rR0=14.0－1.03.2，解得r=14.0－1.03.2×30.0Ω≈122Ω．

2 拋磚引玉，促進深度學(xué)習(xí)

例2 電子秤是人們生活中常用的一種稱量工具．某同學(xué)根據(jù)所學(xué)知識制作了一臺簡易電子秤，原理圖如圖4所示，圖中電壓表可視為理想電壓表（量程為3V），滑動變阻器的滑片為P，最大阻值為R =12Ω，該同學(xué)用刻度尺測得滑動變阻器滑片能滑動范圍的長度為L=2m．

請回答下列問題．

（1）該同學(xué)先利用圖5所示電路測定電子秤里兩節(jié)紐扣電池（如圖6）的電動勢和內(nèi)阻，根據(jù)多次測量得到的數(shù)據(jù)，作出的U′-I圖象如圖7所示，可知這兩節(jié)紐扣電池串聯(lián)后的電動勢為E = ??V，內(nèi)阻為r = ??Ω．

（2）該同學(xué)想得到電壓表的示數(shù)U與被測物體質(zhì)量m之間的關(guān)系，設(shè)計了如下實驗：

①調(diào)節(jié)圖4中滑片P的位置，使電壓表的示數(shù)恰好為零；

②在托盤里緩慢加入細砂，直到滑片P恰好滑到滑動變阻器的b端，然后調(diào)節(jié)電阻箱R0，直到電壓表達到滿偏，實驗過程中彈簧一直處于彈性限度內(nèi)，則此時電阻箱的讀數(shù)為R1= ???Ω；

③已知所用的彈簧的勁度系數(shù)為k=1.96×103N/m，重力加速度為g=9.8m/s2，則該電子秤所能稱量的最大質(zhì)量為m= ??kg．

（3）結(jié)合上面實驗內(nèi)容，可得電壓表的示數(shù)U與被測物體質(zhì)量m之間的關(guān)系式為U = ??．（用題目中給出的物理量符號表示）

解析 （1）對圖5所示電路，根據(jù)閉合電路歐姆定律可得E=U′+Ir，即U′=E－Ir，U′-I圖象與縱軸交點的縱坐標等于電源電動勢，圖線斜率的絕對值等于電源內(nèi)阻，由圖7可知，電源電動勢為E=4V，

內(nèi)阻為r=2.0－4.04.0Ω=0.5Ω．

（2）②電壓表達到滿偏時滑動變阻器接入電路的阻值為R =12Ω，根據(jù)歐姆定律可得UR=ER+r+R1，解得R1 = 3.5Ω;

③滑片P滑到滑動變阻器的b端，彈簧的形變量增加了2cm，由平衡條件有k·Δx=mg，則該電子秤所能稱量的最大質(zhì)量為m =4kg．

（3）根據(jù)閉合電路歐姆定律和力的平衡有

Umgk×RL=Emgk×RL+R1+r，

解得U=mgREmgR+R1+rkL．

3 結(jié)語

高中物理實驗的創(chuàng)新方案是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力、創(chuàng)新能力和促進深度學(xué)習(xí)的重要途徑．通過改進實驗設(shè)計方案，創(chuàng)新實驗教學(xué)手段，拓展了學(xué)生的科學(xué)探究能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了他們的實踐能力、合作意識和深度學(xué)習(xí)的效果．在實際教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的特點和教學(xué)需求，開發(fā)適合學(xué)生發(fā)展的創(chuàng)新實驗方案，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才做出應(yīng)有的貢獻．

【本文系福建省廈門市教育科學(xué)“十四五" 規(guī)劃 2021年度重點課題“ 基于科學(xué)思維和探究提升的高中物理校本教具開發(fā)與應(yīng)用” （課題編號：21017）的階段性成果.】

參考文獻：

[1]唐世琦.測量電源電動勢和內(nèi)阻的創(chuàng)新方法例析[J].中學(xué)教學(xué)參考，2021（35）：56-58.

[2]熊亮.基于信息技術(shù)的高中物理實驗教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計——以“測量電源電動勢和內(nèi)阻”為例[J].物理通報，2020（S1）：82-84.