电源特性的探究

电源特性的探究 湖北省黄梅县第一中学　张流柱 【教学内容】 高二《物理》（必修加选修）第二册第十四章第六节。 【问题提出】 师：这节课，首先请同学们用电压表测量不同型号的干电池、蓄电池的电压，并说明测量结果。 生：不同型号的干电池的电压都约为1．5V，蓄电池的电压都约为2V。 师：我们的教材这样讲：“不接用电器时电源两极间电压的大小是由电源本身的性质决定的。为了表征电源的这种特性，物理学中引入电动势的概念。电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压。”我给同学们提出一个问题：电动势到底表征电源的什么特性?同学们，你们自己有什么问题吗? 生甲：为什么不同型号的干电池的电压都约为1．5V? 生乙：为什么干电池电压与蓄电池不同? 生丙：电源的电动势为什么等于电源没有接入电路时两极间的电压? …… 师：很好!为了回答以上问题，必须弄清电源的特性。 【学生活动】 一、活动Ⅰ：拆卸废旧干电池、蓄电池，初步弄清它们的构造 师：请大家动手，拆卸废旧干电池、蓄电池，看它们内部有些什么，内部物质是否导电。请注意环境卫生。 生：动手拆卸废旧干电池、蓄电池，测量内部物质是否导电。 师：我们早已知道，电源正极聚集着正电荷，负极聚集着负电荷。现在又知道，干电池、蓄电池的正、负两极之间的物质是导体。同学们对此有什么疑问吗? 生甲：正电荷为什么能够聚集在正极，负电荷为什么聚集在负极? 生乙：聚集在负极的负电荷为什么不经导电物质移向正极? 二、活动Ⅱ：提出设想，构建电源模型 师：这个问题提得相当好!为什么呢?同学们自己说说。 …… 生：可能是电源内部存在一种力，不让聚集在负极的负电荷经内部的导电物质移向正极。 师：如果这种猜测是正确的话，这种力会不会是静电力?为什么? 生：不会。因为静电力是使聚集在负极的负电荷经电池内部的导电物质由负极移向正极。 师：很好。我们知道物体通常呈电中性，大家想过没有?为什么正电荷向电源正极聚集，负电荷向电源负极聚集? …… 生：是非静电力作用的结果。 师：对!现在，我们进一步来讨论这样的问题：把带有等量、异号电荷的平行板电容器用导线连接起来，导线中有瞬时电流。要保持导线中有持续的恒定电流，必须怎么办? 生：为了使导线中有持续的电流，必须使两极板间总存在恒定的电压。 师：这时平行板电容器内部场强是否改变? 生：不变。 师：如何保持平行板电容器内部场强不变?就需要…… 生：保持两极板所带电量不变。 师：如何保持两极板所带电量不变呢? 生：自然是把经过导线移至另一极的电荷重新“捉”回来，也就是要使从负极经过导线移至正极的等量电子再回到负极。 师：从负极经过导线移至正极的电子再回到负极的路径是在平行板之间还是在平行板的外部? 生：内部。 师：靠什么力？ 生：非静电力。 师：通过刚才的讨论，我们知道：如果能使平行板电容器负极经过导线移至正极的等量电子经平行板之间再回到负极，那么平行板之间就必须存在一种非静电力。如果平行板之间存在那么一种非静电力，那么这样的“平行板电容器”就是什么? 生：电源。 活动Ⅲ：归纳总结电源的特性 师：作为电源，必须具备什么条件? 生：内部必须存在非静电力。 师：电源内部的非静电力作用于电荷，将产生什么效果?请大家讨论一下，然后回答。 生：由于非静电力总是不停地把正电荷由电源负极移至正极，或者把负电荷由电源正极移至负极，电源正极将聚集着正电荷，负极聚集着负电荷，在电源内部形成电场。 师：如果电源没有接入外电路呢? 生：在非静电力作用下，正电荷向电源正极移动，负电荷向电源负极移动，电源正负两极电荷量将逐渐增多，两极间电场将逐渐增强。 师：电源两极间电场能否无限增强?为什么? 生：不能。因为，电源两极之间形成了电场，电荷在移动过程中还要受到阻碍它运动的电场力作用，且阻碍它运动的电场力将逐渐增大。最终非静电力和静电力平衡，两极间电场的场强也就保持不变了。 师：现在大家是否知道不同种类的电源，没有接入电路时，用电压表测得的两极间电压不等的原因了?认真思考、讨论，然后回答。 …… 生：由于不同种类的电源内部非静电力的大小不同，两极间电场的场强也就不同。所以不同种类的电源两极间电压不等。 师：相当好!请同学们再用能量的观点讨论、说明电源的特性。 …… 生：非静电力使正电荷由电源负极移至正极，对电荷做正功；电荷在移动过程中受电场力阻碍作用，要克服电场力做功。非静电力做功使其他形式的能转化为电能。从能的转化观点看来，电源就是把其他形式的能转化为电能的装置。 师：不同的电源把其他形式的能转化为电能的本领相同吗?为什么? 生：不同。因为对不同的电源来说，非静电力一般不同，它把同样多的正电荷从负极移至正极所做的功，一般是不同的。在移送电量相等的情况下，非静电力做的功越多，电源把其他形式的能转化为电能的本领也就越大。 活动Ⅳ：寻找论据，深入探究电源的特性 师：电动势就是表征电源把其他形式的能转化为电能的这种本领的物理量。课后，请同学们查阅有关电源资料，弄清如下几个问题：①常见的有几种电源？内部靠什么作用使得电源正极集聚着正电荷负极集聚着负电荷?②常见电源分别将什么形式的能量转化为电能?③什么是电源的电动势?④电源的电动势为什么等于电源没有接入电路时两极间的电压? 【表达交流】 在弄清上述问题的基础上，结合课堂上的讨论，写一篇小论文，题为《电源的特性》。 点评： 电动势的概念是掌握闭合电路欧姆定律的基础和关键，是高中物理电学部分难以理解的概念之一。电动势概念成为教学难点的原因：从电动势概念的本身来看，电动势概念十分抽象，建立电动势概念涉及到的其他概念多，关系复杂。例如非静电力、静电力、非静电力做功、克服非静电力做功、能量转化、动态平衡等等，很容易造成学生思路混乱。从学生这方面看，大多数中学生的抽象思维能力还比较低，对于电池、蓄电池的化学作用和发电机的电磁作用，在学习电动势这一概念时，学生认识还不多，知识储备不够。另外，学生对电源的感性认识也十分匮乏，虽然经常接触干电池等电源，但是对电源的感知仅限于外观。鉴于以上原因，十多年以来，中学物理课本都没有阐述清电动势的物理意义，更没有建立电动势的概念，这给学生掌握闭合电路欧姆定律造成了重大障碍。这节课采用探究教学，让学生动手，解剖电池，丰富学生的感性认识，培养学生的实践能力；启迪学生思维，培养提出问题、解决问题能力；在较短的时间内，学生自主进行了大量的思维活动，明确了电动势的物理意义；将对电源的特性的进一步探究，以建立电动势确切、科学的概念延伸到课外，既能使学生较深入地理解电动势的概念，又没有冲淡教学重点。这种课内外相结合探究同一问题的做法，在探究教学上具有一定的创新。（点评者：吴吉成）