讓數(shù)據(jù)說(shuō)話*
——數(shù)字電表助力物理定量實(shí)驗(yàn)例談

張玉成

(山東省滕州市第一中學(xué) 山東 棗莊 277500)

學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程是一種教師引領(lǐng)下靈活運(yùn)用認(rèn)知策略的動(dòng)態(tài)過(guò)程，這是一個(gè)超越陳述性和程序性認(rèn)知的高級(jí)思維運(yùn)作．為此從教學(xué)策略上可對(duì)高中物理教材內(nèi)容進(jìn)行適度開(kāi)發(fā)，將經(jīng)典的定性化的核心概念和規(guī)律轉(zhuǎn)化為定量化解決，讓數(shù)據(jù)說(shuō)話！以數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證假設(shè)，揭示事實(shí)，凸顯其客觀性和精確性的特征．使用數(shù)字電表助力物理定量實(shí)驗(yàn)，可為物理教學(xué)帶來(lái)十分顯著的教學(xué)效益．

1 數(shù)字電表助力創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

由于倍分法探究電容器的電荷量與電勢(shì)差的關(guān)系，突出了科學(xué)方法的應(yīng)用與遷移，所以目前頗得高中物理教師的青睞．實(shí)驗(yàn)中對(duì)于電壓的測(cè)量，學(xué)生最容易想到用指針式電壓表．由于其內(nèi)阻不夠大(幾千歐)，電容器放電迅速，無(wú)法讀數(shù)．學(xué)生還會(huì)想到用靜電計(jì)，但1靜伏=300 V，無(wú)法測(cè)量較小的電壓，而且還不能定量測(cè)量．此時(shí)數(shù)字電壓表可大顯神通，數(shù)字萬(wàn)用表的電壓擋內(nèi)阻高達(dá)10 MΩ，電容器通過(guò)高電阻放電可以大大增長(zhǎng)放電時(shí)間．再選用容量足夠大的電容器，放電更是極慢，實(shí)驗(yàn)效果更佳．

圖1 利用倍分法設(shè)計(jì)電路進(jìn)行測(cè)量

還可把不同電容的電容器串聯(lián)在電路中，這樣兩個(gè)電容器帶上相同的電荷量，然后測(cè)兩端電壓，探究不同電容器Q與U的比值關(guān)系．

2 數(shù)字電表助力研究實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)“電動(dòng)勢(shì)”概念時(shí)，學(xué)生疑惑頗多：內(nèi)電路上的電勢(shì)既然“躍升”，又何來(lái)降落？?jī)?nèi)電阻是怎樣產(chǎn)生的？……對(duì)于種種疑惑，可在課堂上用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)化學(xué)電池進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，通過(guò)層次性的問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展，深刻理解化學(xué)電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)理．

(1)研究電池負(fù)載時(shí)的情況

以圖2所示的化學(xué)蓄電池為例，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用電場(chǎng)學(xué)習(xí)的知識(shí)分析，電荷在什么力的作用才能環(huán)繞一周？對(duì)于正電荷，在外電路導(dǎo)體內(nèi)，正電荷在兩極電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)中受靜電力作用，從正極運(yùn)動(dòng)到負(fù)極；由于電池的內(nèi)部由兩極板電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)是阻礙正電荷從負(fù)極回到正極的，也就是說(shuō)不可能靠靜電力把正電荷從負(fù)極板拉回正極板．那么不是靠靜電力，靠什么呢？

圖2 化學(xué)蓄電池

提醒學(xué)生：這里是化學(xué)電池，用的是稀硫酸和銅、鋅板，應(yīng)該有化學(xué)反應(yīng)．

那么化學(xué)反應(yīng)是否改變了電池內(nèi)部的電場(chǎng)分布呢？為了研究這個(gè)問(wèn)題,我們?cè)陔姵貎?nèi)部靠近電極插入兩根探針(圖3)，測(cè)量電勢(shì)的分布，從而推斷電場(chǎng)的分布是否發(fā)生了改變．對(duì)電池在負(fù)載情況下測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖3 探究化學(xué)電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)對(duì)電池內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響

圖4 電池在負(fù)載情況下的測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)量的電壓，引導(dǎo)學(xué)生分析電池內(nèi)部的情況：D的電勢(shì)比B高，推斷在D附近溶液中積聚正電荷．C的電勢(shì)比A低，推斷在C附近溶液中積聚負(fù)電荷，如圖5所示．那么，在D與B間存在向右的電場(chǎng)的確是阻礙正電荷向左運(yùn)動(dòng)，在此只能靠化學(xué)反應(yīng)的作用，產(chǎn)生一種力把電荷從B拉向D，這個(gè)力不是靜電力，我們稱(chēng)之為非靜電力．正電荷到D后，由于D的電勢(shì)比C高，在D與C之間產(chǎn)生的電場(chǎng)向左，則靜電力把正電荷從D推向C；同理，C與A間又是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)提供非靜電力，把正電荷從C推向A．這就使得在電池的內(nèi)部，正電荷從負(fù)極板重新回到了正極板，構(gòu)成了一個(gè)閉合電路．

通過(guò)這樣的分析，學(xué)生就明白了，靠化學(xué)反應(yīng)提供的非靜電力只在B與D之間和C與A之間作用，使電荷逆著電場(chǎng)力的方向移動(dòng)，而在D與C之間仍是靜電力把正電荷從D推向C，說(shuō)明在化學(xué)電池的內(nèi)部，非靜電力并不是全程起作用．

圖5 電池內(nèi)部情況分析

(2)結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)分析尋找規(guī)律

引導(dǎo)學(xué)生觀察：UAC+UDB=1.55 V+0.50 V=2.05 V.

在電源內(nèi)部是化學(xué)反應(yīng)提供的非靜電力作用移送電荷，從B到D電勢(shì)提升了一次，從A到C電勢(shì)又提升了一次．此值就是兩次電勢(shì)提升的值之和．那么這個(gè)值越大意味著什么呢？這個(gè)值是否反映著電池的某種特性呢？電池內(nèi)兩次非靜電力做功的本領(lǐng)，就取決于兩次電勢(shì)提升值之和，即UAC+UDB．由于電壓是描述電場(chǎng)力做功把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的本領(lǐng)，這里就得引入一個(gè)新的物理量，來(lái)描述非靜電力做功把其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)，從而“電動(dòng)勢(shì)”概念呼之欲出．

還可乘勝追擊，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察蓄電池負(fù)載時(shí)測(cè)量的4個(gè)數(shù)據(jù)，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律：UCD是負(fù)值，說(shuō)明電池內(nèi)部D的電勢(shì)比C高且UAB+UDC=1.81 V+0.25 V=2.06V，幾乎等于電池的電動(dòng)勢(shì)．這意味著“電池內(nèi)部電解液也有電阻，它跟外電阻一樣要分配到一定的電壓”．

上述研究，可讓學(xué)生更準(zhǔn)確地明白電動(dòng)勢(shì)這個(gè)概念，電動(dòng)勢(shì)究竟在何處產(chǎn)生，矯正了自己以往學(xué)習(xí)中存在的一些不正確的或模糊的認(rèn)識(shí)．

3 數(shù)字電表助力探究實(shí)驗(yàn)

在探究“平行板電容器電容由哪些因素決定”時(shí)，教材中采用“理論分析表明”直接得出結(jié)論．為彌補(bǔ)此遺憾，完全可以借助數(shù)字電容表實(shí)現(xiàn)定量探究．?dāng)?shù)字電容表主要利用電容的充放電特性，通過(guò)測(cè)量被測(cè)相關(guān)電路的充放電時(shí)間，使用專(zhuān)用集成塊的積分電路測(cè)量電容值，經(jīng)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)液晶數(shù)碼管顯示出被測(cè)數(shù)值．因此使用數(shù)字電容表測(cè)量電容則不需要考慮電容放電等因素．在本實(shí)驗(yàn)中使用型號(hào)為VICTOR6013的數(shù)字電容表，其測(cè)量電容最小量程為200 pF．

圖6為制作教具：用亞克力板制作U型框架，在上下正對(duì)表面刻制等比間距(4 mm，8 mm，12 mm，16 mm，20 mm)排列的溝槽，用以固定電容器兩金屬板，同時(shí)可方便控制電容器極板間距d成正比例變化．平行金屬板用1.5 mm厚的鋁板裁制，面積為40 cm×40 cm，必須保證板面的絕對(duì)平整．另外板上標(biāo)記線，能成比例地改變正對(duì)面積．

圖6 自制教具

當(dāng)正對(duì)面積一定時(shí)(S=1 600 cm2)，電容大小隨極板距離的變化如圖7所示，其中極板距離分別對(duì)應(yīng)為4 mm,12 mm,16 mm,20 mm,24 mm．

圖7 探究電容大小與極板距離變化關(guān)系

當(dāng)極板間距一定時(shí)(d=4 mm)，電容大小隨正對(duì)面積的變化如圖8所示，其中正對(duì)面積分別對(duì)應(yīng)為S(=1 600 cm2)，0.9S，0.8S，0.7S，0.6S．

圖8 探究電容大小與極板正對(duì)面積變化關(guān)系

將數(shù)據(jù)輸入Excel表格，可以得出實(shí)際圖線的線性擬合相當(dāng)好，如圖9所示．我們通過(guò)定量探究得出的結(jié)論，更能讓學(xué)生信服．

圖9 實(shí)際圖線線性擬合圖像

4 數(shù)字電表助力體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

電感器作為一個(gè)重要的電學(xué)元件，教師在講解其電感與電感器的長(zhǎng)度、橫截面積、匝數(shù)、有無(wú)鐵芯的關(guān)系時(shí)，因無(wú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，只能敘述結(jié)論、就事論事，總感到底氣不足．應(yīng)用數(shù)字電感表，就可以輕松化解這一尷尬．圖10所示為UT603型電感電容表，其電感擋最低量程為2.000 MH，最高量程為200 H，十分適宜目前高中物理實(shí)驗(yàn)使用．

圖10 UT603型電感電容表

可以這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：先簡(jiǎn)單介紹一下電感表的功能用法，測(cè)量一個(gè)已知電感器的電感值，使學(xué)生對(duì)電感表建立起信任感．

然后用可拆變壓器的原副線圈接入電感測(cè)量擋，就可以分別測(cè)量出它們的電感數(shù)值的大小，研究電感器不同長(zhǎng)度、匝數(shù)以及有無(wú)鐵芯對(duì)電感值的影響，給學(xué)生留下一個(gè)沉浸式的數(shù)字體驗(yàn)過(guò)程．表1所示就是使用J2425型可拆變壓器原線圈各個(gè)不同匝數(shù)下有鐵芯和無(wú)鐵芯時(shí)的電感實(shí)測(cè)結(jié)果，而指針式萬(wàn)用表只能測(cè)出它們的直流電阻，對(duì)測(cè)量電感則是無(wú)能為力．

表1 無(wú)鐵芯和有鐵芯情況下的電感

物理實(shí)驗(yàn)講究原汁原味，希望用最樸實(shí)的儀器來(lái)說(shuō)明最本質(zhì)的原理．但科學(xué)技術(shù)日新月異，我們不能總是用老舊的研究方式來(lái)引領(lǐng)學(xué)生的探究活動(dòng)，在條件允許的情況下，完全可以借助先進(jìn)的儀器設(shè)備讓學(xué)生的探究更便捷，讓獲得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確．?dāng)?shù)字電表，特別是電感電容表作為一種新型的電學(xué)測(cè)量器件，讓奮戰(zhàn)在第一線的物理教師接觸后都有一種“相見(jiàn)恨晚”的感覺(jué)，于是在各級(jí)優(yōu)質(zhì)課中頻頻登場(chǎng)，成為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一條亮麗的風(fēng)景線．