闭合电路的欧姆定律实验设计，本文主要内容关键词为：闭合电路论文,欧姆定律论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
闭合电路的欧姆定律是高中物理电学部分的重点和难点知识，对于该节内容教材没有安排实验，学生在学习中会有一定的困难。教材首先直接给出闭合电路中外电路和内电路的含义，再分析外电路和内电路中的电势变化情况，然后利用能量守恒定律进行理论探讨，得出公式E=IR+Ir，由此得出在闭合电路欧姆定律的表达式
，并推导得出闭合电路中，电源电动势等于内电压与外电压之和，即
。 教材采用理论推导的方法，而该节知识概念较抽象，学生理解起来有困难，笔者希望能通过实验帮助学生加深对闭合电路欧姆定律的理解。然而，在实验设计过程中，笔者遇到了一些困难，主要是不能准确地测量出电源的电动势和内电压。此外，为了使实验更有说服力，还需要尝试改变电源内阻进行探究。 针对这些难点，笔者对实验器材进行改进，反复探索，逐一破解，最终成功利用实验探究验证了闭合电路的欧姆定律。 一、准确测量电源的内电压 普通电源的内电压很难测量，我们改进制作了一种注射空气可调内阻电池作为电源，利用这种电源，学生可以很直观地观察到内电路。电池以密度为1.28
的稀硫酸作为电解液，正极是
，负极是Pb，这种电源的电动势为2V左右[1]。 为了测量内电压，在电池中靠近两个电极处加入两个探针，探针实际上就是铜片，探针的作用就是用来测量两探针间的电压。实验时，笔者让探针与极板尽量接近而不接触（两者的距离小于1 mm），这时，两探针间的电压非常接近电源的内电压。实际上，在实验测量的条件下，在误差允许范围内，两探针间的电压等于电源的内电压（图1）。
二、准确测量电动势 用一个滑动变阻器和小灯泡作负载，一个电压传感器接到电源的两极接线柱测量外电压，另一个电压传感器接到两探针的接线柱测量内电压。这里，采用电压传感器而不用普通电压表，是因为电压传感器不仅示数更精确，而且内阻相对更大，用它测量开路电压更接近电源电动势。只要准确测量出电动势和内外电压，就可以验证电源电动势等于内外电压之和了。 三、改变电源内阻进行进一步探究 为了使实验结论更具普遍性，笔者希望能改变电源的内阻，进行进一步探究和验证。我们制作的可调内阻电池通过改变电解液的横截面积来改变内阻。向电池中间部分注入空气，电解液横截面积变小，电池内电阻增大，将空气抽出，电解液横截面积变大，内电阻变小。 四、实验原理和实验数据 如图2所示，用一个滑动变阻器和小灯泡串联作负载，一个电压传感器测量外电压，一个传感器测量内电压，在断开电路时，记录外电压和内电压值，再闭合开关，改变负载或内电阻阻值，记录外电压和内电压值，最后进行分析，数据如表1和表2所示，在表1、表2中，第一组数据是在开关断开时测量的，内电压为0V，外电压为2.03 V，由前面的分析可知，电源电动势等于2.03 V。
五、误差来源分析 该实验理论上可以用普通学生用电压表进行测量，但学生电压表的示数很不精确，会导致误差较大甚至读不出电压变化而使实验失败。在改用电压传感器后，数据较精确，大大减小了误差。然而，我们还是发现，在调节滑动变阻器阻值或电源内阻阻值时，并不能做到电源电动势不变，并且随着电流的增大，误差也会变大。通过分析，误差来源主要有以下几点。 （1）电源极板以及探针的极化。由于极板和探针的极化，产生了极化电动势，使得在开路时内电压不为0，外电压也不等于电源电动势，这时可采用砂纸打磨或通交流电的方法消除极化，提高实验数据的准确性。 （2）探针和极板间距离过远。由于探针与极板间的电解液属于内电路，这段电解液不仅会产生电势降落，而且电流越大，这个电势降落越大，误差也就越大，从而造成内电压测量不准确。然而，这是由于实验方法造成的系统误差，只能设法使探针与极板尽量靠近。用一小片薄塑料片贴在探针铜片上，可使探针与极板的距离控制在0.5 mm内，这样做，大大提高了实验数据的准确性。 （3）电磁扰动影响传感器示数的稳定。传感器对电磁扰动是很敏感的，实验时要尽量远离电磁干扰，特别是在环境比较干燥时，要避免摩擦起电产生的不良影响。 六、实验方法的改进 前面所述实验并非直接测量电动势。笔者在测电动势时，利用开路时外电压等于电动势这一结论，然而这一结论的得出必须要利用到闭合电路的欧姆定律，导致教学中较难向学生说明。为了说明问题，最好是直接测量电动势。根据化学电源的电动势就是电源两极板附近电势跃升之和（图3）这一定义，我们需要测量电源两极板附近的电势跃升。
在图3中，将电压传感器1接A，D接线柱，测量正极附近的电势跃升，将电压传感器2接C，B接线柱，测量负极附近的电势跃升，两者之和就是电源的电动势。表3是在改变内阻时测得正、负极板附近的电势跃升数据。 从表3可以看出，内阻的变化不会影响极板附近的电势跃升，两处电势跃升之和就是电源的电动势。改变外电路电阻，同样也得到了完全一样的数据，这说明电源的电动势与内、外电路的电阻无关。 通过测量电动势，让学生更直观地理解电动势的含义，理解电动势的来源是非静电力做功将化学能转化为电能。同时，因为实验数据准确，所以得到的结论也更科学。
七、实验拓展 （1）学生对内阻影响用电器工作一般是没有直观感受的。在实验中，教师可以利用小灯泡，直观地观察到内电阻和外电阻的变化可以影响用电器的工作状态。 （2）一般人会认为，在持续放电较长时间后，电源的供电能力下降，是因为其电压（电动势）变小了，实际上，这是由于内阻增大引起的，而电动势是不变的，这点也可以通过该实验装置进行说明。 （3）如果将小灯泡替换为电流表，就可以直接验证闭合电路的欧姆定律公式
，也可以采用伏安法测量电源的内电阻。 （4）通过更换电极和电解液材料，对不同种类电池的电动势和内阻进行探究。 在教材中，该节知识没安排实验是因为实验有较大难度。在教学实践中，多数教师也是直接进行讲述，而笔者所述实验设计克服了教学中的这些困难，将抽象的理论分析变为具体的实验，极大地降低了知识的难度，加深了学生对知识的理解。在实际教学中，将理论教学与实验教学相融合，有效地激发了学生的学习兴趣，在教学中取得了良好效果。
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