10.實驗：測定電源的電動勢和內(nèi)阻教學設計河北石家莊二中：崔潮一、教材分析“實驗：測定電池的電動勢和內(nèi)阻”是人教版高中物理選修3-1第二章第9節(jié)的內(nèi)容，它是閉合電路歐姆定律的深化和實際應用，學生經(jīng)過本節(jié)課的學習，既能加深對閉合電路歐姆定律的理解，學會根據(jù)實驗原理設計實驗，鞏固電學問題的分析思路，較熟練的使用基本儀器和處理實驗數(shù)據(jù)的方法。又對學生應用數(shù)學方法解決物理問題的能力有所提升。通過學生自己獨立提出方案、小組討論設計、完成實驗，處理數(shù)據(jù)，找到減小誤差的辦法。培養(yǎng)學生獨立思考、合作、探究、協(xié)作學習和與人交流能力，同時測水果電池的的電動勢和內(nèi)阻可激發(fā)學生對物理實驗的學習興趣。二、教學目標（一）、知識與技能1．理解測定電源的電動勢和內(nèi)阻的基本原理。進一步感受路端電壓隨電流變化的關系。加深對閉合電路歐姆定律的理解鞏固。2．使學生學會根據(jù)基本實驗原理，選擇不同實驗儀器來設計實驗，完成實驗。經(jīng)歷實驗過程，掌握實驗方法，提高實驗技能。3．用解析法和圖象法擬合直線合力外推求解電動勢和內(nèi)阻的處理數(shù)據(jù)的方法。4．從減小系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩方面嘗試進行電源的電動勢和內(nèi)阻測量的誤差分析。（二）、過程與方法1．基于相同實驗原理—閉合電路歐姆定律，從伏—安法出發(fā)，通過不同實驗儀器的選擇來設計實驗，完成實驗。使學生開闊思路，體驗科學的思維方法。2．學會利用解析法、圖像法等函數(shù)的思想，利用數(shù)學方法處理物理問題。學會用多次測量取平均值，圖線處理數(shù)據(jù)的方法，都可以減小偶然誤差。體驗在測定電源的電動勢和內(nèi)阻時減小誤差（擴大內(nèi)阻、圖象縱軸不從零開始）的技巧。（三）、情感態(tài)度與價值觀1．學生通過實驗手段處理物理問題的基本程序和技能，培養(yǎng)學生，仔細觀察，真實記錄，嚴謹求實、實事求是的科學態(tài)度和不斷探索的科學精神，培養(yǎng)學生觀察能力、動手操作能力、分析思維能力。2．學生通過實驗產(chǎn)生熱愛物理學習的動機，對物理學習有濃厚的興趣。通過獨立思考，小組討論，培養(yǎng)學生學會獨立思維習慣。培養(yǎng)學會傾聽，團結(jié)協(xié)作的意識。三、教學重點難點重點：實驗原理及拓展，利用圖線處理數(shù)據(jù)。難點：實驗原理的設計，如何通過表箱法測得數(shù)據(jù)擬合直線找斜率、截距，求電動勢和內(nèi)阻。四、教學方法小組討論，匯報、講解法，實驗法。五、課前準備課前準備學案、課上學案、課后作業(yè)。坐標紙（兩人一張）。舊干電池、導線若干，開關、滑動變阻器（5,3）、(0-0.6、0-3)電流表、（0-3V、0-15V）電壓表、電阻箱、靈敏電流表（0-300、r=100）或內(nèi)阻已知的毫安表、銅片和鋅片各一片、蘋果、梨、西紅柿、土豆。共12組。六、教學過程（一）課前準備檢查（二）提出問題、引入新課教師：我們知道一個電源的規(guī)格，常標在銘牌上的有電動勢、內(nèi)阻、和容量。在一段時間內(nèi)電動勢、內(nèi)阻可認為不變，是一常量。那么我們怎樣通過實驗來測定這兩個物理量呢？有人提出一個方案如圖：可行嗎？有哪些不足？學生：此方法只能粗略的測出電動勢不能測出內(nèi)阻，并且測出的電動勢誤差會較大。電壓表雖內(nèi)阻很大，但不是斷路。電壓表中有電流通過測的實際是路端電壓。只有當電壓表內(nèi)阻很大時近似等于電動勢。教師：提出問題：現(xiàn)在有一個干電池，要想測出其電動勢和內(nèi)電阻，你需要什么儀器，采用什么樣的電路圖，原理是什么？需要測那些物理量？用那個物理公式？（三）新課：學生在學案上獨立設計完成，小組交流討論，合作探究（教師巡回指導），每組找一名學生代表匯報展示。教師匯總：方案一：儀器：電池、開關、導線、電流表、電壓表、滑動變阻器。實驗原理：閉合電路歐姆定律E=U＋Ir電路圖：需測量電壓：U1、U2、U3、U4、U5、U6，對應電流：I1、I2、I3、I4、I5、I6。E和r的求解：由U＝E－Ir得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(U1＝E－I1r,U2＝E－I2r))，解得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝\f(I1U2－I2U1,I1－I2),r＝\f(U2－U1,I1－I2)))方案二：儀器：電池、開關、導線、電流表、電阻箱。實驗原理：閉合電路歐姆定律E=U＋Ir=IR＋Ir電路圖：需測量電阻：R1、R2、R3、R4、R5、R6，對應電流：I1、I2、I3、I4、I5、I6。E和r的求解：E=I1R1＋I1rE=I2R2＋I2r聯(lián)立求解。方案三：儀器：電池、開關、導線、電壓表、電阻箱。實驗原理：閉合電路歐姆定律E=U＋Ir=電路圖：需測量電阻：R1、R2、R3、R4、R5、R6，對應電壓：U1、U2、U3、U4、U5、U6。E和r的求解：聯(lián)立求解。教師：這幾種方法均可測量E、r。但誤差較大，怎樣可以減小誤差？我們從減小系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩方面考慮一下。提示：看看我們用到的電路圖里面、各需測的是什么？學生獨立思考、小組討論，代表匯報。匯總：系統(tǒng)誤差：方案一中測路端電壓；測干路電流，即過電源的電流。有內(nèi)阻引起系統(tǒng)誤差。需測量的是一節(jié)干電池，電動勢約為1.5V，內(nèi)電阻大約為零點幾歐。提出問題：選用電路圖時，還可將外接、內(nèi)接原則上都可以，哪一個更好？為什么？學生回答：兩種方式測量都會帶來誤差。采用圖1示數(shù)準確示數(shù)偏小采用圖2示數(shù)準確示數(shù)偏小采用圖1時：不考慮電表影響時，E和r的求解：由U＝E－Ir得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(U1＝E－I1r,U2＝E－I2r))，解得測量值eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝\f(I1U2－I2U1,I1－I2),r＝\f(U2－U1,I1－I2)))考慮電表影響時，聯(lián)立解得：比較可以得到：E測＜E，r測＜r測量值都小于真實值。由于有所以當測小內(nèi)組電源時電壓變化不明顯用此方法系統(tǒng)誤差小。采用圖2時：考慮電表影響時，聯(lián)立解得：比較可以得到：E測=E，r測＞r電動勢等于真實值，內(nèi)阻等于真實值，大一個電流表內(nèi)阻。當測大內(nèi)組電源時，電流表內(nèi)阻可忽略用此方法系統(tǒng)誤差小。同理方案二、方案三，也是由于電表內(nèi)阻會引起系統(tǒng)誤差。教師設問;如何減小偶然誤差？學生獨立思考、小組討論，代表匯報。學生：利用兩組數(shù)據(jù)便可得到結(jié)果，但這樣做誤差會比較大，為此，我們可以多測幾組求平均值，也可以將數(shù)據(jù)描在圖上，利用圖象處理數(shù)據(jù)。方法一、采用多次測量取平均值。取六組對應的U、I數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)滿足的關系式U1＝E－I1r、U2＝E－I2r、U3＝E－I3r…讓第1式和第4式聯(lián)立方程，第2式和第5式聯(lián)立方程，第3式和第6式聯(lián)立方程，這樣解得三組E、r，取其平均值作為電池的電動勢E和內(nèi)阻r的大?。椒ǘ?、圖像處理數(shù)據(jù)。在坐標紙上以路端電壓U為縱軸、干路電流I為橫軸建立U—I坐標系，在坐標平面內(nèi)描出各組(U，I)值所對應的點，然后盡量多地通過這些點作一條直線，不在直線上的點大致均勻分布在直線兩側(cè)，討論：將圖線延長，與橫縱軸的交點各代表什么情況？歸納：將圖線兩側(cè)延長，合理外推?？v軸截距就是電源電動勢E。橫軸截距為短路電流。則直線與縱軸交點的縱坐標值即是電池電動勢的大小(一次函數(shù)的縱軸截距)，直線斜率的絕對值即為電池的內(nèi)阻r.即r＝|eq\f(ΔU,ΔI)|.教師：同理方案二、方案三可以將那個物理量看成自變量，將哪個物理量看成函數(shù)，怎樣變換變量，轉(zhuǎn)化為一次函數(shù)，擬合直線。通過求斜率、截距來求E和r。學生獨立思考、小組討論，代表匯報。方案二、E=U＋Ir=IR＋Ir變形為縱軸：R橫軸：斜率：E截距：-r或?qū)⑹阶觾蛇呁瑫r除以EI得：縱軸：橫軸：R斜率：截距：方案三、變形為：縱軸：橫軸：斜率：截距：今天我們這節(jié)課選擇用測量圖1方法測的這一種。指導學生分組實驗，分工合作，連電路，記錄數(shù)據(jù)，畫圖象，計算電源電動勢、內(nèi)阻。分析圖像，設問：想一想可否通過合理標度減小誤差？擴大內(nèi)阻保護電阻。說明：①A、B兩點均是無法用實驗實際測到的，是利用得到的圖線向兩側(cè)合理外推得到的。②由于r一般很小，得到的圖線斜率的絕對值就較小。為了使測量結(jié)果準確，可以將縱軸的坐標不從零開始，計算r時選取直線上相距較遠的兩點