高中物理 《測量電源的電動勢和內(nèi)電阻》教案3 魯科版選修3-1（通用）

測量電源的電動勢與內(nèi)阻 一 教材分析本節(jié)課是高中物理選修31的第四章第三節(jié)，這節(jié)課內(nèi)容是測量電源的電動勢與內(nèi)阻，電源的特性主要由電動勢與內(nèi)阻來描述，因此測量電動勢和內(nèi)阻對于合理使用電源具有重要的意義，在上一節(jié)介紹的測量電源內(nèi)電壓的方法，在許多情況下是不可行的，這一節(jié)在它的基礎(chǔ)上，從實用的角度向?qū)W生提出了新的問題，即怎樣簡潔的測量電源的電動勢與內(nèi)阻？ 只有設(shè)計合理的實驗電路，選擇必要的實驗器材，科學(xué)的處理數(shù)據(jù)，才能得到滿意的結(jié)果。本節(jié)課主要介紹了用伏安法測量電源的電動勢與內(nèi)阻的電路以及一種新的處理實驗數(shù)據(jù)的方法用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)。重點是：實驗方案的獲取與利用圖像法處理數(shù)據(jù)。難點是如何利用圖線得到結(jié)論以及實驗誤差的分析。本節(jié)教學(xué)中主要讓學(xué)生自己根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的關(guān)于閉合電路歐姆定理等相關(guān)知識，通過自己的探索，把學(xué)過的知識應(yīng)用于實際，本節(jié)內(nèi)容涉及到的動手實驗及用圖象法處理數(shù)據(jù)，這正是學(xué)生感興趣的內(nèi)容，通過學(xué)生自己的探索，不但把學(xué)過的知識應(yīng)用于實際還可以激發(fā)他們的創(chuàng)新精神。二 教學(xué)目標(biāo)1知識與技能：使學(xué)生掌握利用儀器測量電池電動勢和內(nèi)電阻的方法，并通過設(shè)計電路和選擇儀器，開闊思路，激發(fā)興趣。2.過程與方法：學(xué)會利用圖線處理數(shù)據(jù)的方法。3.情感態(tài)度與價值觀：使學(xué)生理解和掌握運用實驗手段處理物理問題的基本程序和技能，具備敢于質(zhì)疑的習(xí)慣、嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度和不斷求索的精神，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力和操作能力，提高學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的動機和興趣。三 設(shè)計思路測量電源的電動勢與內(nèi)阻其實就是對閉合電路歐姆定理的應(yīng)用，這節(jié)課的安排主要是對閉合電路歐姆定理的應(yīng)用反饋。因此，本著鞏固和深化所學(xué)知識，以及能夠把所學(xué)過的知識應(yīng)用于實際的思想，本節(jié)內(nèi)容我設(shè)計如下：把全班同學(xué)分成八個小組，要求每一個小組在課下利用課余時間查閱資料了解測量電阻的各種方案，看是否可以用于本節(jié)內(nèi)容中，能夠設(shè)計哪些方案來測量電源的電動勢與內(nèi)阻， 并且設(shè)計好本組將要應(yīng)用的測量方案。4.2節(jié)分兩個課時，第一課時主要課堂上讓學(xué)生分小組展示他們的方案，按照理論闡述、模擬演示、自我評價的程序進行展示。教師和其他小組的學(xué)生作為評委，讓展示的學(xué)生現(xiàn)場答辯，教師和其他小組的學(xué)生可以向他們提問。最后教師對各小組進行評價，確定實驗方案。第二課時主要是引導(dǎo)學(xué)生，讓其探究出處理實驗數(shù)據(jù)的重要方法圖象法，以及必要的誤差分析。重點是學(xué)習(xí)圖象法處理數(shù)據(jù)。這節(jié)內(nèi)容以課內(nèi)外相結(jié)合的形式，課下讓學(xué)生進行科學(xué)設(shè)計，課上組織學(xué)生匯報交流，教師只是作為指導(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生分析原理，指導(dǎo)學(xué)生在實際操作中應(yīng)該考慮哪些問題，幫助學(xué)生完善方案，因此，本節(jié)內(nèi)容中采用研究性的探究式教學(xué)，充分的體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。教師改變原來的傳授式教學(xué)方式，以觀眾的身份對學(xué)生提問，在問題中把這節(jié)課的內(nèi)容滲透給學(xué)生，以評委的身份對學(xué)生的成果進行評價并且提出改進方案。四 教學(xué)準(zhǔn)備首先，對全班的學(xué)生進行分組，每個小組自己設(shè)計測量方案，設(shè)計過程中要考慮到實際操作，要求能夠方便的測量出電動勢與內(nèi)阻。這一步要提前布置，給學(xué)生足夠的時間去準(zhǔn)備。其次，設(shè)計過程中需要的儀器向?qū)嶒炇疑暾?，需要有關(guān)的知識自己查閱資料，遇到難題時可以找老師幫忙解決。最后，因為這節(jié)內(nèi)容有課件展示，有分組實驗，所以安排在多媒體教室上課。上課前和實驗員協(xié)調(diào)好，預(yù)先將部分一起放在每組的課桌上，同學(xué)們上課前分小組確定座位，留出一張課桌做實驗用。準(zhǔn)備好音箱和話筒，以便使學(xué)生聽得清楚。五 教學(xué)過程（分兩課時）（第一課時）回顧上節(jié)所學(xué)內(nèi)容，引入新內(nèi)容教師： 上堂課我們學(xué)習(xí)了閉合電路的歐姆定律，那么此定律文字怎么述？公式怎么寫？學(xué)生： 閉合電路中的電流跟電源的電動勢成正比，跟整個電路的電阻成反比，這就是閉合電路的歐姆定律。教師： 這兒有一節(jié)干電池，請問同學(xué)在我們已學(xué)過的物理量中有哪幾個物理量是用來描寫電源的性質(zhì)？學(xué)生： E r教師： 在你們桌上都有一節(jié)這樣的干電池，這些干電池有的是比較新的，有的是比較舊的，我們可以用些什么方法來測出這一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻呢？這就是我們這節(jié)課所需要解決的問題。投影 4.2 測電源的電動勢和內(nèi)阻教師： 前面我們已經(jīng)學(xué)了閉合電路的歐姆定律。投影 定律的內(nèi)容教師： 接下來就請同學(xué)根據(jù)閉合電路的歐姆定律，大家在下面以學(xué)習(xí)小組為單位討論，看可以有哪幾種方法來測電源的電動勢和內(nèi)阻，然后把你們設(shè)計出來的電路圖畫在白紙上，列出求解方程式。設(shè)計完畢以后，每一組請一位同學(xué)起來作為代表講一下你們這一組的設(shè)計思路。我們比賽一下看哪一組的設(shè)計方案即合理又最多，現(xiàn)在開始討論。學(xué)生互相討論、設(shè)計測量方案教師： 請每組同學(xué)推出一名代表介紹設(shè)計的方案，同時將設(shè)計方案中的電路圖投影到屏幕上。學(xué)生介紹設(shè)計方案教師： 同學(xué)們設(shè)計的方案很多，接下來請同學(xué)們針對這些設(shè)計方案來思考一下，如果根據(jù)他們測量時所使用的測量儀器和所列方程的形式，看看有什么相同的地方？投影： 方案1電路圖學(xué)生： 使用一個電流表 一個伏特表 一個滑動變阻器 (板書)投影： 方案 2電路圖學(xué)生： 使用一個伏特表 一個變阻箱 (板書)投影： 方案 3電路圖學(xué)生： 使用一個電流表 一個變阻箱 E=I（R+r） (板書)教師： 同學(xué)們根據(jù)分析對比，現(xiàn)在得出了測電源電動勢和內(nèi)阻的三種方法。投影： 方案1 E=Ir+U方案2方案3 E=I（R+r）方案1 方案2 方案3教師： 盡管這三種方法所列的方程形式不同，但他們的本質(zhì)是一樣的，都是閉合電路的歐姆定律。在第一種方法中E=U+Ir，其中E r是要求的，只要得到兩組不同的I和U的數(shù)值，列兩個方程，便可求得E r。至于外電路上的電阻R可以是已知的，也可以是未知的，只要能改變就行了，也就是說可以是兩個定值電阻，可以是滑動變阻器，可以是電阻箱，等等。另外兩種方法與第一種方法相比，最大的區(qū)別在于他們只用了一個電表，但是外電路上的電阻必須是已知的。這就給外電路上的電阻有了一定的限制，在這二種情況下，滑動變阻器是不能用的。電流表、電壓表及滑動變阻器的規(guī)格要根據(jù)實驗的具體需要來確定，以方案一為例，看看我們用到的電路圖里面 、各需測的是什么？選用電路圖時，還可將 接在外面，原則上也是可以的，那么我們在做實驗時是否兩個都可以，還是哪一個更好？為什么？學(xué)生：兩種方式測量都會帶來誤差。采用圖1 示數(shù)準(zhǔn)確 示數(shù)偏大采用圖2 示數(shù)準(zhǔn)確 示數(shù)偏小選用哪種方式，要根據(jù)實際測量的需要確定，現(xiàn)在要想測出電源的內(nèi)阻，如果采用圖2方式，最后得到的結(jié)果相當(dāng)于電源內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻的總和，而兩者相差又不太多，這樣一來誤差就會比較大，所以應(yīng)采用圖1的電路圖。明確各儀器的規(guī)格：電流表00.6A量程，電壓表03V量程。滑動變阻器050。此外，開關(guān)一個，導(dǎo)線若干。教師：請同學(xué)根據(jù)桌上的實驗器材，任選其中的一到二種方法，測一下你們桌上這一節(jié)新舊不一的干電池的電動勢和內(nèi)阻，在實驗以前先請同學(xué)講一下本實驗的注意事項。學(xué)生：1）按電路圖用導(dǎo)線將實驗器材連接起來。2）連接電路時，電鍵必須斷開。3）電流必須從電表的正接線柱流入，負(fù)接線柱流出，并且要注意量程的選擇，盡量用舊電池，其內(nèi)阻較大，效果明顯。4）如使用滑動變阻器，連接時必須一上一下，電鍵閉合以前，電阻達 到最大。5）實驗結(jié)束時，先斷開電鍵。（學(xué)生答的不全，教師補充）教師：實驗方法，電路圖有了，注意事項也知道了，請同學(xué)開始實驗并得出數(shù)據(jù)并思考怎樣處理數(shù)據(jù)。以組為單位學(xué)生動手實驗，得出實驗數(shù)據(jù)。思考如何處理數(shù)據(jù)，為下節(jié)課學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。（第二課時）1.回顧上節(jié)課內(nèi)容，例舉實驗方案，教師： 我們這節(jié)課例舉上次方案一，看看應(yīng)該怎樣處理數(shù)據(jù)及分析誤差才能夠正確的得出電動勢與內(nèi)阻，請一位同學(xué)講講你處理數(shù)據(jù)的方法。學(xué)生：對于方案一我們可以利用公式：E=Ir+U 測量出兩組數(shù)據(jù)就可以建立方程組解出 E和 r教師：原則上，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，我們可以想些什么辦法減少誤差呢？學(xué)生：采用測量多組數(shù)據(jù) 建立多個方程組，然后解出對應(yīng)的E和r值，然后取平均值，就可以減少誤差。投影：用平均值法求E和r: 把所測量的數(shù)據(jù)代入閉合電路歐姆定律E=U+Ir中，得 計算出同理，把其他幾組r2、r3，E2、E3計算出來，用公式r= ， E=， 即為所求電源的電動勢E和內(nèi)阻r.老師：用數(shù)學(xué)法測量計算比較麻煩，有沒有更加好一點的方法處理數(shù)據(jù)呢？投影：根據(jù)閉合電路歐姆定律U=E-Ir 聯(lián)系實驗方案一 ，可以看出什么信息學(xué)生回答總結(jié)： 利用UI圖像求電源電動勢E和內(nèi)阻r: 根據(jù)閉合電路歐姆定律U=E-Ir可知，U是I的一次函數(shù)，則UI圖像應(yīng)該是一條直線.投影：UI 圖象如右圖。教師：那么大家觀察圖象，直線與U軸、I軸各有交 點， 那么兩個交點分別代表什么物理意義，直線的斜率又代表什么呢？學(xué)生回答總結(jié)：直線與U軸相交點的值，I等于零， 此值即為斷路時的路端電壓應(yīng)等于電源電動勢E；這條直線與I軸的交點表示U=0 (外電路短路)時的短路電流 I0，而且I0 = ， 由U=E-Ir可知直線斜率為-r，計算內(nèi)阻時，要在直線上任取兩個相距較遠的點，用r=| |計算電池的內(nèi)阻r.投影：用幾何畫板模擬畫圖，取一組用方案一得出的數(shù)據(jù)描點。教師：在坐標(biāo)紙上建立UI坐標(biāo)系，依據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中畫出相應(yīng)的點，怎樣連接這些點呢？是否兩兩相連？學(xué)生討論后回答總結(jié)：兩兩相連得出的折線不符合理論分析的結(jié)果，應(yīng)該作一條直線使之通過盡可能多的點，并使不在直線上的點盡可能均勻的分布在兩旁. 離直線教遠的點應(yīng)該舍棄，如圖甲所示，延長這條直線， 讀出它與U軸相交點的值，此值即為斷路時的路端電壓應(yīng)等于電源電動勢E；這條直線與I軸的交點表示U=0 (外電路短路)時的短路電流 I0，而且I0 = ，還計算出內(nèi)阻r=| | .教師：A、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。當(dāng)干電池內(nèi)阻較小時，路端電壓U的變化較小，坐標(biāo)圖中數(shù)據(jù)點所描直線呈現(xiàn)如下圖乙所示的狀況，下部大面積空間得不到利用，作圖時也易造成較大誤差，為此可使坐標(biāo)不從零開始如圖丙所示，并把坐標(biāo)的標(biāo)度取得小一些，可使結(jié)果的誤差減小些，要注意的是: 此時圖像與橫軸的交點不表示短路電流，計算內(nèi)阻時，要在直線上任取兩個相距較遠的點，用r=| | .來計算電池的內(nèi)阻r.（教學(xué)過程中必須明確）：圖線的縱坐標(biāo)是路端電壓，它反映的是：當(dāng)電流強度I增大時，路端電壓U將隨之減小，U與I成線性關(guān)系，U=E-Ir。也就是說它所反映的是電源的性質(zhì)，所以也叫電源的外特性曲線。電阻的伏安特性曲線中，U與I成正比，前提是R保持一定，而這里的U-I圖線中，E、r不變，外電阻R改變，正是R的變化，才有I和U的變化。實驗中至少得到6組數(shù)據(jù)，畫在圖上擬合出一條直線。要求：使多數(shù)點落在直線上，并且分布在直線兩側(cè)的數(shù)據(jù)點的個數(shù)要大致相等，這樣，可使偶然誤差得到部分抵消，從而提高精確度。歸納：將圖線兩側(cè)延長，分別交軸與A、B點。A點意味著斷路情況，它的縱軸截距就是電源電動勢E。說明：A、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。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(zhǔn)確，可以將縱軸的坐標(biāo)不從零開始，計算r時選取直線上相距較遠的兩點求得。2.誤差分析：實驗中的誤差屬于系統(tǒng)誤差，請同學(xué)們進一步討論，得到的數(shù)值是偏大還是偏小？（提示：利用圖線及合理的推理）可以請幾位同學(xué)發(fā)言，最后得到結(jié)論。因為 電壓表的分流作用所以 I真=I測IV即（I真-I測），反映在圖線上：當(dāng)U=0時，IV0 II真故r真r測 E真E測3.課后小結(jié)利用圖線進行數(shù)據(jù)處理是物理實驗中常用的一種方法，圖象法的注意事項幾點前面以有說明，加以強調(diào)。4.布置作業(yè)：a思考用其他幾種方案如何處理數(shù)據(jù)及誤差分析。b寫好實驗報告。