基于新課程理念和認(rèn)知理論的《電源電動勢和內(nèi)阻》教學(xué)設(shè)計

范佳賀??

《電源電動勢和內(nèi)阻》這一節(jié)從物理的角度來講，電源內(nèi)部電路和外部電路在概念和物理規(guī)律上有很完美的對應(yīng)，在內(nèi)電路中，非靜電力做功，使電荷在全電路上構(gòu)成循環(huán)，形成恒定電流.緊接著就是非靜電力的功、其他形式的能、功能關(guān)系和內(nèi)電路上能量轉(zhuǎn)化，在非靜電力的功的基礎(chǔ)上，利用比值定義出電動勢（差）.根據(jù)全電路中能量轉(zhuǎn)化與守恒，自然推導(dǎo)出閉合電路的歐姆定律.物理規(guī)律的簡潔、結(jié)構(gòu)的完整，從上面的對應(yīng)上可見一斑！但就學(xué)生目前的知識水平，他們是感受不到的.在這些概念規(guī)律中，和電勢相對應(yīng)，電動勢成了更大的難點(diǎn)，如果直接在非靜電力功的基礎(chǔ)上建立電動勢概念，學(xué)生就更難理解了.

因此和人教版不同，科教版教材采取了另外一種主線.

教材以“手電筒為什么不亮？”這個常見生活現(xiàn)象出發(fā)，通過三個實(shí)驗(yàn)探究出電源端電壓與標(biāo)稱電壓不同，由此引出電動勢與內(nèi)阻的概念.通過分析閉合電路中總的電勢降落，而電池的作用就是將電勢相應(yīng)升高，這也就是閉合電路歐姆定律的內(nèi)涵.最后又回歸到一開始，利用新的電路規(guī)律去解釋手電筒為何不亮、電源兩端電壓和標(biāo)稱電壓不同等現(xiàn)象.

學(xué)生在初中階段，已經(jīng)學(xué)習(xí)了歐姆定律、焦耳定律、伏安法測電阻等，在高二階段，又深入學(xué)習(xí)了電場力的功、電勢能、功能關(guān)系和外電路上能量轉(zhuǎn)化，以及在靜電力功基礎(chǔ)上建立的電勢和電勢差，可以說研究的比較全面.而這些研究都是針對外電路的，針對電源內(nèi)部電路的研究幾乎為零.需要指出的是，在這些學(xué)過的概念中，電勢（差）很抽象，雖然經(jīng)過學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生不能真正的理解電勢的物理意義.

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)識發(fā)展理論，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程實(shí)際是學(xué)生主體進(jìn)行同化和順應(yīng)最后到達(dá)認(rèn)知平衡的過程，學(xué)習(xí)是否有效，在于學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)是否由于刺激而發(fā)生了合理的改變.又根據(jù)新課標(biāo)理念，課堂要以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，教師要輔助學(xué)生在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建.

據(jù)此本節(jié)課采用了基于問題的探究式教學(xué)：依次增加電路中小燈泡并聯(lián)的個數(shù)，發(fā)現(xiàn)小燈泡變暗，創(chuàng)設(shè)與初中所學(xué)物理規(guī)律相悖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的矛盾；在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生利用化學(xué)開放電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，班級學(xué)生共同參與實(shí)驗(yàn)探究；通過實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，幫助學(xué)生構(gòu)建出閉合電路中電勢變化的物理情景，提出新的物理概念電動勢；最后從能量轉(zhuǎn)化等角度進(jìn)行總結(jié)提升，深入理解電動勢.通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生看到電源在供電時其兩端電壓的變化；讓學(xué)生感受科學(xué)規(guī)律源于實(shí)驗(yàn).通過觀察、分析數(shù)據(jù)背后所隱藏的物理意義，幫助學(xué)生在認(rèn)知結(jié)構(gòu)上構(gòu)建新的物理情景，讓學(xué)生感受邏輯思維的力量.

教學(xué)過程設(shè)計

1暴露學(xué)生原有認(rèn)知，并創(chuàng)設(shè)和原有認(rèn)知相矛盾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)1 如圖1所示，閉合開關(guān)S后，依次閉合支路上的開關(guān)，觀察小燈泡的亮度變化和電壓表的示數(shù)變化.能夠觀察到小燈泡的亮度依次變暗.

問題1小燈泡為什么會依次變暗？減小的電壓去了哪里了？

實(shí)驗(yàn)2如圖2所示，依次閉合支路上的開關(guān)，觀察此時小燈泡的亮度變化和電壓表的電壓變化值.能夠觀察到此時小燈泡亮度依然依次變暗，電壓表示數(shù)變小.

問題2此時小燈泡兩端減小的電壓去了哪里了？

通過問題1讓學(xué)生明確電流通過電阻后會產(chǎn)生電勢降落，為后邊的問題做鋪墊；問題2將本節(jié)重要概念電源內(nèi)阻引出.

2設(shè)計方案，實(shí)驗(yàn)探究

展示實(shí)驗(yàn)室所用的開放化學(xué)電池，引導(dǎo)學(xué)生用此設(shè)計實(shí)驗(yàn)，對提出問題進(jìn)行探究.

實(shí)驗(yàn)3利用開放電池對電阻供電，電路圖如圖3所示，分別測量外電路電阻不同時原電池內(nèi)部電阻引起的電勢降落U2和外電阻引起的電勢降落U1（路端電壓）.記錄數(shù)據(jù)在

表1中.

表1

U1/V

U2/V

U1+U2/V

2.0

0

2.0

1.8

0.2

2.0

1.6

0.4

2.0

1.4

0.6

2.0

1.2

0.8

2.0

問題3觀察并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，回答能得出哪些實(shí)驗(yàn)結(jié)論？

a.電路未接通時，U1最大；

b.開關(guān)閉合后，U1比剛才小了，電源內(nèi)部電勢降落U2不為零；

c.U1與U2之和在誤差允許范圍內(nèi)等于一個定值，即電路未接通時電源兩端電壓.d.隨著外電路電阻阻值的減小，U2逐漸增大，U1逐漸減小.

3針對核心問題，精講點(diǎn)撥

（1）電源內(nèi)阻

分析結(jié)論：

a.電路未接通時，U1最大；

b.開關(guān)閉合后，U1比剛才小了，電源內(nèi)部電勢降落U2不為零；

（2）電源電動勢

分析結(jié)論：

c.U1與U2之和在誤差允許范圍內(nèi)等于一個定值，即電路未接通時電源兩端電壓.這個值是內(nèi)外電路上電勢降落的總和；

之所以內(nèi)外一共就降落這么多（我們可以利用手中的粉筆被抬高和它所降落高度進(jìn)行對比）是因?yàn)殡娫磳㈦妱萏Ц哌@么多！這個值就等于這個電源的電動勢大小.

4結(jié)合理論，總結(jié)提升

閉合回路中的電勢變化情況，電源將電勢升高，然后由于電源內(nèi)部有電阻，本身會引起一定的電勢降落，電源提供給外電路的路端電壓實(shí)際上是剩余的部分.

在外電路上，正電荷在靜電力作用下由正極運(yùn)動到負(fù)極，電勢能減小轉(zhuǎn)化為其他形式的能；在電源內(nèi)部，需要非靜電力（化學(xué)作用）將正電荷由負(fù)極搬到正極，此時非靜電力對正電荷做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能.不同電源的電動勢越大，那么移動單位正電荷非靜電力所需要做的功越多，能量的轉(zhuǎn)化就越多.電源電動勢等于移動單位正電荷由負(fù)極到正極，非靜電力所做的功.

電動勢：電源將單位正電荷由電源負(fù)極移到電源正極非靜電力所做的功.

單位：伏特

物理意義：表征電源其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能特性.

大?。弘娫床唤尤腚娐窌r其兩端的電壓，由電源本身決定.

舉例：開放電池、手機(jī)電池

5應(yīng)用新認(rèn)知，解決實(shí)際問題

觀察生活常見的電池，不同電池商標(biāo)上的標(biāo)識不同，分別代表什么意思？

教學(xué)反思

（1）“電池在供電時，其兩端電壓是不變的”這是學(xué)生的前概念，從物理上來講這個前概念是片面的，只有理想電池才滿足這樣的條件；而從心理角度來講，這個前概念是學(xué)生學(xué)習(xí)本課的第一阻力.因此，本節(jié)課從演示實(shí)驗(yàn)開始，讓學(xué)生真實(shí)看到電源供電時，其兩端電壓會隨著外電路的變化而改變，創(chuàng)設(shè)和學(xué)生認(rèn)知相矛盾的現(xiàn)象，打破學(xué)生的認(rèn)知平衡，激發(fā)學(xué)生思考.

（2）在探究階段，引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證猜想，學(xué)生共同參與實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)讀取和處理，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度，讓學(xué)生體會科研過程.在實(shí)驗(yàn)過程中凸顯學(xué)生的主體地位.

（3）在數(shù)據(jù)深入分析階段，學(xué)生的能力水平是：能夠認(rèn)識到內(nèi)外電路上的總電壓是一個定值；通過提醒，學(xué)生意識到這實(shí)際上是內(nèi)外電路上總的電勢降落；教學(xué)目的是讓學(xué)生意識到這意味著電源在電路中總的電勢升高，這里就要放慢節(jié)奏，通過類比物體高度的變化，幫助學(xué)生構(gòu)建物理情景，建立新的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

在需要點(diǎn)播的部分又發(fā)揮了教師主導(dǎo)作用.