1、摭谈 一组闭合电路 演示实验 的 控制 黄汶（常州市武进区横山桥高级中学 江苏 213119） 摘要 选择了一组闭合电路的演示实验，通过控制元件参 数 ，做到“简单、明了、尺寸大”；通过控制教学操作，做到 “ 从学生的认知心理分析出发选择和设计好实验 ” ， 从而发挥学生把观察 和 思考紧密结合起来的主体性。 关键词：演示实验；元件参量；教学操作；控制 演示实验是既能体现教师主导性，又能发挥学生主动性的课堂物理实验的一种形式。学生主动性的发挥是把观察和思考紧密结合起来；教师主导性的体现是对演示实验的控制，要求做到 “ 简单、明了 、尺寸大 ” 和 “ 从学生的认知心理分析出发选择和设计好实验
2、” 1。 在闭合电路中，内、外电阻的变化，会导致电路中电流和电阻两端电压的变化，从而导致电阻消耗功率的变化。由于部分电路欧姆定律和理想电源的负迁移，一些同学对端电压会变化 ，及 电阻发生了变化的部分电路中的电流、两端电压和消耗功率的变化趋势存在疑虑，以致影响了解决问题所用规律、方法的选择，因而出错也就难免。 实践表明 ， 教师选择和设计好演示实验，促进学生 把观察事实和 理性思考紧密结合 ，能有效突破教学难点。 一、引发认知冲突 实验 1 初中进行电路分析和计算时， 认为电源提供的电压是不变的，即当作内阻为零的理想电源。而在实际中， 除新干电池可近似为理想电源，一般电池的内阻是实际存在的，其提
3、供的电压也是变化的。 因此， 让同学们认识 这一点及其对电路的影响，首要的是，让已有的前概念与实验事实交锋。原理电路图如图 1 所示。 1.元件参数的控制 新干电池的内阻很小，不到 0.1；用过一段时间的干电池，内阻会增大，大约在 0.20.8；而用过后存放了几年的干电池，内阻会增大到 510。本实验选择两节用过一段时间的干电池，一节存放了几年的旧干电池。小灯泡（ 2.5V,0.3A），在 额 定电压下工作 时的电阻 略大于 8，而在 1.5V 左右的电压下工作时的电阻大约为 5。另外，本实验不使用电池盒和电键，能“简单、明了、尺寸大”地看见电池的 连接和 更换。 2.教学操作的控制 师：我用
4、一节（用过一段时间的）干电池点亮灯泡，同学们注意灯泡的亮度如何？ 生：不够亮。 师：这里还有两节电池，能不能使灯泡更亮点？ S 图 1 生：可以，用两节电池呀。 师：我用两节（用过一段时间的）干电池点亮灯泡，同学们注意灯泡的亮度是否变亮？ 生：亮多了！ 师：我用 这样两 节干电池 （一节 用过一段时间的 和一节 用过后存放了几年的 ）点亮灯泡，同 学们认为灯泡的亮度应该如何？ 生： 也会亮多了 ！ 师：同学们可要看仔细了，亮度比 前 两节 和一节 怎么 都 暗了呢？ 二、丰富知识表象 实验 2 和实验 3 要理论解释上述现象，就要进一步学习闭合电路欧姆定律， 并用该规律 澄清电流、电压、随电阻
5、变化的观念 。 并考虑 从学生的认知心理分析出发 ，首先，要暴露在同学们之中存在的运用部分电路欧姆定律的思维缺陷；其次， 还要 把观察事实和理性思考紧密结合 ， 提供 丰富 的 知识表象。 原理电路图如图 2、 3所示。 1.元件参数的控制 一节存放了几年的旧干电池， 一只 电阻箱（ 1090）， 一只 电压表（ 03V）， 一只 毫安表(0100mA)，一个电池盒。 毫安表示数大约在1090mA 之间变化 ，电压表示数大约在 0.81.4V 之间变化。 2.教学操作的控制 师： 在闭合电路中，给定电源的电动势 E 和内阻 r 不变，根据闭合电路欧姆定律 rREI ，外电阻 R电流 I；外电阻
6、 R电流 I。 （板书： R rREI I， R rREI I） 我们可以用实验呈现这个现象。请同学观察如图 2 所示电路，把一节电池（ 存放了几年的 ）放入电池 盒，从电源正极连到电流表正接线柱，从电流表负接线柱连到电阻箱的一个接线柱，从电阻箱另一个接线柱连向电源负极，暂时不接通。我把电阻箱的电阻置于 90，再接通电源。请 同学们仔细观察电流表的示数变化， 80， 70， 20。 生：电流增大，增大， 师 ： 现在，我再旋回去， 30， 40， 90。 生：电流减小，减小 ， A S R 图 2 A V S R 图 3 师： 路端电压如何变化呢？根据部分电路欧姆定律 U=IR，同学们能做出判
7、断吗？同学们猜 猜看 ？ 生：，说法不一。 师：那我们先来看实验吧。那在图 2 的电路中还要接入什么电表呢？如何接入呢 ？ 生：要并联一只电压表。 师： 电路图如图 3 所示， 这样行不行？ 生：行！ 师：（连接电路）让电流从电压表的正接线柱流入，负接线柱流出。接通电源，请同学们同时观察电流表、电压表的示数变化， 80， 70， 20。 生： 电流增大，电压减小；电流增大，电压减小； 师，现在，我再旋回去， 30， 40， 90。 生：电流减小，电压增大；电流减小，电压增大； 师：（副板书： 外电阻 R路端电压 U；外电阻 R路端电压 U）。 那么，如何进行理论解释呢？ 想一想，不能从部分电路
8、欧姆定律作出判断的症结是什么呢？思考问题的时候，我们也要控制变量呀！ 生：外电阻也是变化的。 师：嗯，那电源内阻 r 变化吗？电源内阻两端电压如何变化呢？ 生： 通过控制变量，电源内阻 r 不变，根据部分电路欧姆定律 U/=Ir 和闭合电路欧姆定律 IrEU 可知，外电阻 R路端电压 U；外电阻 R路端电压U。 师：（补充板书： R rREI I IrEU U， R rREI I IrEU U） 外电阻 R 很大时，电路中电流 I 和路端电压 U 如何？从上面的理论 如何 解释 ？ 生： 电路中电流 I=0，路端电压 U=E。 师： 如图 3 所示的电路图，如何操作可以观察这种现象？ 生： 断
9、开接入的电阻箱，即外电路断路时，外电阻 R无限大 。 师：（断开接入的电阻箱）果然， 电路中电流 I=0，路端电压 U=E。 外电路断开时，可用电压表测量电源电动势。 （板书：断路时， I=0， U=E） 外电阻 R很小时，电路中电流 I 和路端电压 U 如何？如图 3 所示的电路图，如何操作可以观察这种现象？ 生： 电路中电流 rEI ，路端 电压 U=0。电阻箱 的电阻为 0，即外电路 短 路 。 师：同学们注意， 我接触通电，看电流表和电压表示数的大小。 生：电流表已超过了量程，电压表指针不动。 师：（板书：短路时， rEI ， U=0） 三、揭示知识关键 实验 4 至此，实验 1 的现
10、象还没有得到解释。这需要进一步 揭示 端电压发生变化的原因是电源有内阻，只有无内阻的理想电源，端电压才是不变的。 原理电路图如图 3 所示。 1.元件参数的控制 一节存放了几年的旧干电池， 一节新干电池，一只 电阻箱（ 2090）， 一只电压表（ 03V）， 一只 毫 安表 (0100mA)，一个电池盒。毫安表示数大约在1090mA之间变化 ，电压表示数大约在 0.81.4V之间变化或保持 1.5V基本不变。 2.教学操作的控制 师：同学们，请再次观察，如图 3 所示的实验现象。 师生： 80，电流增大，电压减小； 70，电流增大，电压减小； 30，电流减小，电压增大； 40，电流减小，电压增
11、大； 师：现在，我换一节干电池， 请 同学们看电流表和电压表示数的变化。 师生： 80，电流增大，电压几乎不变； 70，电流增大，电压几乎不变；30，电流减小，电压几乎不变； 40，电流减小，电压几乎不变； 师：（手拿两节干电池）这两节干电池有什么不同吗？从电表读数来看，电动势是否一样？ 生：一样。 师：那是什么不同呢？ 生：内阻！ 师： 对！ 这两节干电池，先接在电路中的干电池是用过的存放了三四年的旧电池；后接入电路的干电池是没用过的新电池。我已经做了测量，新电池的内阻很小，接近 0；而这节旧电池的内阻约为 7.5。 请同学们继续思考几个问题， 手电筒里的干电池用长了时间，灯泡的亮度就变暗了
12、，这是为什么？ 生：灯泡的电阻几乎不变，而 电源内 阻增大，总电阻增大，电路中电流减小，灯泡发光功率 减小，所以灯泡就变暗。 师：灯泡两端电压如何变化呢？ 内 阻两端电压又如何变化呢？ 如何判断？ 考虑控制变量！ 生：灯泡电阻几乎不变，根据部分电路欧姆定律 U=IR，灯泡两端电压变小，根据闭合电路欧姆定律 IREU / ，内电压增大。 师：很好！（板书： r rREI I IREU / U/）现在有哪位同学能解释一下开始上课时的实验现象？ 生：先用的两节电池是新电池，后用的两节电池中有一节是旧电池。虽然电动势增大了，但电路总电阻也增大了， 电流还是减小了，灯泡两端电压减小了，灯泡亮度反而变暗。
13、 师：很好！你认为新旧电池能不能混用呢？ 生：不能，这不一定能让灯泡更亮，因为旧电池可 以 提供的电压 可能 反而比它的电动势还 小 。 师：同学们的看法呢？ 生 ：对，并鼓掌。 师：我还有个问题，初中 我们分析和计算电路问题时，往往说电源提供的电压不变，这是为什么？ 生：那是指新电池。 师： 对！另外，可理解为 理想电源（ r=0），提供的路端电压不变，等于其电动势。 我们在高中解决问题要注意，电路中的电源是理想电源还是实际电源。 （字数： 3600 字） 黄汶（ huangwen）江苏省常州市武进区横山桥高级中学， 213119， 13961168253， 参考文献 1刘炳昇 ， 漫谈演示实验的精心设计 ， 物理教学 J， 2011 年第 8 期 ， 2224 页 作者简介：黄汶（ 1969-），男，安徽怀宁人，江苏常州市横山桥高级中学高级教师，教研组长，常州市学科带头人，硕士，主要研究方向：教学设计和课堂教学。
