資源簡(jiǎn)介

12.3《 實(shí)驗(yàn)：電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量》課時(shí)教案
學(xué)科 物理 年級(jí)冊(cè)別 高二上冊(cè) 共1課時(shí)
教材 人教版（2019）高中物理必修第三冊(cè) 授課類型 實(shí)驗(yàn)探究課 第1課時(shí)
教材分析
教材分析
本節(jié)內(nèi)容位于人教版高中物理必修第三冊(cè)第十二章《電路及其應(yīng)用》的第三節(jié)，是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。教材通過引導(dǎo)學(xué)生利用閉合電路歐姆定律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)不僅是對(duì)前兩節(jié)“電源與電流”“閉合電路歐姆定律”的深化應(yīng)用，也為后續(xù)學(xué)習(xí)復(fù)雜電路分析打下基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用。教材采用伏安法作為主要測(cè)量手段，提供了清晰的實(shí)驗(yàn)原理、電路圖和操作步驟，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)處理與誤差分析，體現(xiàn)了物理學(xué)科“從現(xiàn)象到本質(zhì)”的探究邏輯。
學(xué)情分析
高二學(xué)生已掌握歐姆定律、串并聯(lián)電路特點(diǎn)及電表使用方法，具備一定的實(shí)驗(yàn)操作能力。但在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、理解電動(dòng)勢(shì)與電壓的區(qū)別、處理U-I圖像等方面仍存在認(rèn)知障礙。部分學(xué)生對(duì)“內(nèi)阻”概念抽象難懂，易與電阻混淆。此外，實(shí)驗(yàn)中接線錯(cuò)誤、電表量程選擇不當(dāng)?shù)葐栴}頻發(fā)。針對(duì)此，教學(xué)應(yīng)通過情境導(dǎo)入激發(fā)興趣，借助問題鏈引導(dǎo)思維，采用小組合作降低操作難度，并利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生突破難點(diǎn)。學(xué)生正處于邏輯思維發(fā)展的關(guān)鍵期，具備較強(qiáng)的探究欲望，適合開展以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。
課時(shí)教學(xué)目標(biāo)
物理觀念
1. 理解電動(dòng)勢(shì)是反映電源非靜電力做功能力的物理量，掌握閉合電路歐姆定律表達(dá)式E = U + Ir的物理意義。
2. 能區(qū)分路端電壓與電動(dòng)勢(shì)，認(rèn)識(shí)電池內(nèi)阻的存在及其對(duì)輸出電壓的影響。
科學(xué)思維
1. 能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)合理的電路圖，運(yùn)用控制變量法分析U-I圖像斜率與截距的物理含義。
2. 通過對(duì)不同測(cè)量方法的比較，發(fā)展批判性思維，評(píng)估實(shí)驗(yàn)誤差來源并提出改進(jìn)建議。
科學(xué)探究
1. 能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)器材的組裝與調(diào)試，規(guī)范操作電壓表、電流表和滑動(dòng)變阻器，獲取多組U、I數(shù)據(jù)。
2. 學(xué)會(huì)用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合U-I直線求出電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r，并進(jìn)行誤差分析。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
1. 在實(shí)驗(yàn)過程中養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不隨意篡改結(jié)果。
2. 增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后主動(dòng)回收廢舊電池，理解能源利用中的社會(huì)責(zé)任。
教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)
重點(diǎn)
1. 掌握伏安法測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)原理與電路連接方式。
2. 學(xué)會(huì)使用U-I圖像法處理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確讀取縱軸截距（電動(dòng)勢(shì)）和斜率絕對(duì)值（內(nèi)阻）。
難點(diǎn)
1. 理解電動(dòng)勢(shì)的物理本質(zhì)及其與路端電壓的區(qū)別。
2. 分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的來源，理解電流表內(nèi)接法導(dǎo)致的測(cè)量偏差。
教學(xué)方法與準(zhǔn)備
教學(xué)方法
情境探究法、合作探究法、講授法、實(shí)驗(yàn)法
教具準(zhǔn)備
干電池（1號(hào)）、電壓表、電流表、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線若干、坐標(biāo)紙、多媒體課件、DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（可選）
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng)
情境導(dǎo)入
【5分鐘】 一、生活現(xiàn)象引出問題 （1）、播放視頻：手電筒燈光逐漸變暗
教師播放一段真實(shí)拍攝的視頻：一個(gè)使用舊電池的手電筒，剛打開時(shí)光線明亮，幾分鐘后明顯變暗，最后熄滅。提問：“為什么同一節(jié)電池剛開始能點(diǎn)亮燈泡，后來卻越來越暗直至不亮？這說明電池內(nèi)部發(fā)生了什么變化？”引導(dǎo)學(xué)生思考電池性能隨使用時(shí)間下降的現(xiàn)象。
（2）、提出核心問題：如何量化電池的‘能量’和‘損耗’？
教師進(jìn)一步設(shè)問：“我們常說電池有‘電量’，但物理上更精確的描述是什么？有沒有一個(gè)物理量可以反映電池本身的供電能力？又是什么導(dǎo)致它帶負(fù)載后電壓下降？”由此引出“電動(dòng)勢(shì)”和“內(nèi)阻”兩個(gè)核心概念。指出今天我們將通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)量這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，揭開電池內(nèi)部的秘密。
（3）、回顧舊知，建立聯(lián)系
教師引導(dǎo)學(xué)生回憶閉合電路歐姆定律的內(nèi)容：E = U + Ir。解釋其中E代表電動(dòng)勢(shì)，U是外電路電壓（即電壓表示數(shù)），I是總電流（即電流表示數(shù)），r是電源內(nèi)阻。強(qiáng)調(diào)該公式是本實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。提問：“如果我能測(cè)出多組U和I的值，能否反推出E和r？”為后續(xù)圖像法埋下伏筆。 1. 觀看視頻，描述現(xiàn)象。
2. 思考并討論電池性能下降的原因。
3. 回憶閉合電路歐姆定律。
4. 嘗試回答如何測(cè)量E和r。
評(píng)價(jià)任務(wù) 現(xiàn)象描述：☆☆☆
問題提出：☆☆☆
公式回憶：☆☆☆
設(shè)計(jì)意圖 通過貼近生活的視頻激發(fā)興趣，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，使抽象概念具象化；以問題鏈驅(qū)動(dòng)思維，激活已有知識(shí)，自然引出實(shí)驗(yàn)主題；體現(xiàn)“從生活走向物理”的課程理念。
原理構(gòu)建
【8分鐘】 一、推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)原理 （1）、數(shù)學(xué)變換：從公式到圖像
教師在黑板上寫出閉合電路歐姆定律：E = U + Ir。然后進(jìn)行代數(shù)變形，得到U = E - Ir。強(qiáng)調(diào)這是一個(gè)關(guān)于I的一次函數(shù)，形式為y = b - kx。引導(dǎo)學(xué)生類比數(shù)學(xué)知識(shí)：在這個(gè)函數(shù)中，U相當(dāng)于y，I相當(dāng)于x，E是縱軸截距（b），r是斜率的絕對(duì)值（k）。因此，只要測(cè)得多組U和I的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖，擬合成一條直線，就可以從圖像中直接讀出電動(dòng)勢(shì)E（I=0時(shí)的U值）和內(nèi)阻r（直線斜率的絕對(duì)值）。
（2）、電路設(shè)計(jì)：如何實(shí)現(xiàn)變量控制？
教師提問：“為了獲得多組不同的U和I值，我們需要改變哪個(gè)物理量？”學(xué)生回答“外電阻”。教師順勢(shì)介紹滑動(dòng)變阻器的作用——通過調(diào)節(jié)其阻值改變電路中的總電流I，從而獲得不同的路端電壓U。接著展示標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)電路圖（如下所示），講解各元件作用：電池為待測(cè)對(duì)象，電壓表測(cè)路端電壓，電流表測(cè)總電流，滑動(dòng)變阻器用于調(diào)節(jié)電流，開關(guān)控制電路通斷。
（3）、誤差初探：電流表的位置影響
教師提出疑問：“電壓表測(cè)量的是電池兩端的電壓?jiǎn)幔俊币龑?dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)電壓表實(shí)際測(cè)量的是電池與電流表串聯(lián)后的總電壓，即U測(cè) = U電池 + U電流表。由于電流表有內(nèi)阻RA，會(huì)產(chǎn)生額外壓降，導(dǎo)致U測(cè) > U電池，從而引起系統(tǒng)誤差。介紹這是“電流表內(nèi)接法”的固有誤差，后續(xù)可通過圖像分析體現(xiàn)。 1. 理解U-I圖像的物理意義。
2. 認(rèn)識(shí)滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)作用。
3. 識(shí)記實(shí)驗(yàn)電路圖。
4. 初步認(rèn)識(shí)系統(tǒng)誤差來源。
評(píng)價(jià)任務(wù) 圖像理解：☆☆☆
電路識(shí)圖：☆☆☆
誤差識(shí)別：☆☆☆
設(shè)計(jì)意圖 通過數(shù)學(xué)建模將物理規(guī)律轉(zhuǎn)化為可操作的圖像方法，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維；通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與電路設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)探究性；提前揭示誤差問題，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和科學(xué)態(tài)度。
實(shí)驗(yàn)操作
【15分鐘】 一、分組實(shí)驗(yàn)：動(dòng)手測(cè)量數(shù)據(jù) （1）、明確任務(wù)與分工
教師將全班分為8個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，每組4人，指定組長(zhǎng)、操作員、記錄員、監(jiān)督員。發(fā)放實(shí)驗(yàn)報(bào)告單，明確任務(wù)：連接電路 → 檢查無誤后閉合開關(guān) → 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使電流從0.1A開始，每隔0.1A記錄一次電壓表和電流表讀數(shù)，共取6組數(shù)據(jù) → 斷開開關(guān)，整理器材。
（2）、示范關(guān)鍵操作
教師在講臺(tái)上演示電路連接全過程：先斷開開關(guān)，按“電源→開關(guān)→滑動(dòng)變阻器→電流表→電源負(fù)極”的順序串聯(lián)主回路，再將電壓表并聯(lián)在電池兩端。特別強(qiáng)調(diào)：接線前確保開關(guān)斷開；電流表正負(fù)極不能接反；電壓表量程選3V檔，電流表選0.6A檔；滑動(dòng)變阻器滑片初始位置應(yīng)置于阻值最大端以保護(hù)電路。
（3）、巡視指導(dǎo)，糾正錯(cuò)誤
學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)，教師巡視各組，重點(diǎn)檢查：電路連接是否正確（尤其電壓表是否并聯(lián)在電池兩端）；電表量程是否合適；讀數(shù)時(shí)視線是否正對(duì)刻度；數(shù)據(jù)記錄是否及時(shí)準(zhǔn)確。對(duì)出現(xiàn)“電壓表接在滑動(dòng)變阻器兩端”“電流表并聯(lián)”等典型錯(cuò)誤的小組，及時(shí)指出并指導(dǎo)改正。鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并討論解決方案。 1. 小組分工合作完成實(shí)驗(yàn)。
2. 正確連接電路并規(guī)范操作。
3. 記錄6組U、I數(shù)據(jù)。
4. 主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題并交流解決。
評(píng)價(jià)任務(wù) 連接正確：☆☆☆
操作規(guī)范：☆☆☆
數(shù)據(jù)完整：☆☆☆
設(shè)計(jì)意圖 通過小組合作培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；教師示范與巡視結(jié)合，確保實(shí)驗(yàn)安全與數(shù)據(jù)有效性；讓學(xué)生在真實(shí)操作中體驗(yàn)科學(xué)探究過程，強(qiáng)化實(shí)踐能力；關(guān)注課堂生成，及時(shí)糾偏，提升教學(xué)實(shí)效。
數(shù)據(jù)處理
【10分鐘】 一、繪制U-I圖像 （1）、指導(dǎo)作圖規(guī)范
教師在PPT上展示坐標(biāo)紙模板，講解作圖要求：橫軸為電流I（單位A），縱軸為電壓U（單位V）；選擇合適的標(biāo)度使圖像盡量布滿坐標(biāo)紙；將6組數(shù)據(jù)在圖中標(biāo)出對(duì)應(yīng)點(diǎn)；用直尺畫一條盡可能靠近所有點(diǎn)的直線，使不在直線上的點(diǎn)均勻分布在兩側(cè)。
（2）、示范圖像分析
教師選取一組典型數(shù)據(jù)，在黑板上現(xiàn)場(chǎng)描點(diǎn)并擬合直線。演示如何讀取縱軸截距：當(dāng)I=0時(shí)，U≈1.5V，即為電動(dòng)勢(shì)E的測(cè)量值。再計(jì)算斜率：取直線上相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)（如I =0.1A,U =1.4V；I =0.5A,U =1.1V）， 計(jì)算|ΔU/ΔI|=|(1.1-1.4)/(0.5-0.1)|=0.3/0.4=0.75Ω，即為內(nèi)阻r的測(cè)量值。強(qiáng)調(diào)斜率絕對(duì)值才是內(nèi)阻。
（3）、引入DIS系統(tǒng)對(duì)比（可選）
若有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，教師可連接傳感器實(shí)時(shí)采集U-I數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)圖像。對(duì)比手工繪圖與計(jì)算機(jī)擬合結(jié)果，討論差異原因，提升學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的認(rèn)知。 1. 在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)作圖。
2. 擬合最佳直線。
3. 讀取截距和斜率。
4. 計(jì)算E和r的數(shù)值。
評(píng)價(jià)任務(wù) 描點(diǎn)準(zhǔn)確：☆☆☆
擬合合理：☆☆☆
計(jì)算正確：☆☆☆
設(shè)計(jì)意圖 培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理與圖像分析能力；通過親手繪圖加深對(duì)U-I關(guān)系的理解；利用現(xiàn)代技術(shù)拓展視野，體現(xiàn)科技融合；強(qiáng)化“證據(jù)→結(jié)論”的科學(xué)推理過程。
總結(jié)升華
【7分鐘】 一、課堂總結(jié)與價(jià)值引領(lǐng) （1）、結(jié)構(gòu)化回顧知識(shí)點(diǎn)
教師引導(dǎo)學(xué)生共同回顧本節(jié)課的核心內(nèi)容：我們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，其理論依據(jù)是閉合電路歐姆定律E = U + Ir；實(shí)驗(yàn)方法是伏安法，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器獲得多組U、I數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理采用U-I圖像法，電動(dòng)勢(shì)E等于縱軸截距，內(nèi)阻r等于直線斜率的絕對(duì)值。同時(shí)認(rèn)識(shí)到電流表內(nèi)接會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)偏小、內(nèi)阻偏大這一系統(tǒng)誤差。
（2）、情景化延伸思考
教師展示手機(jī)電量從100%到自動(dòng)關(guān)機(jī)的過程，提問：“為什么手機(jī)在電量顯示20%時(shí)還能正常使用，而電池實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電流增大時(shí)電壓迅速下降？”引導(dǎo)學(xué)生理解現(xiàn)代電子設(shè)備中的電池管理系統(tǒng)（BMS）如何通過算法估算剩余電量，并在電壓過低前預(yù)警關(guān)機(jī)，保護(hù)電池。鼓勵(lì)學(xué)生課后查閱鋰電池工作原理，拓展知識(shí)邊界。
（3）、激勵(lì)性升華
“同學(xué)們，今天我們不僅測(cè)出了一節(jié)電池的E和r，更是在親手搭建的電路中觸摸到了物理定律的脈搏。每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，都是你們與自然對(duì)話的語言；每一條擬合直線，都是你們用理性描繪的世界圖景。正如法拉第在無數(shù)次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，科學(xué)的偉大發(fā)現(xiàn)往往始于這樣看似平凡的測(cè)量。希望你們保持這份好奇與嚴(yán)謹(jǐn)，未來不僅能測(cè)出電池的電動(dòng)勢(shì)，更能點(diǎn)燃自己生命的光亮！” 1. 復(fù)述實(shí)驗(yàn)原理與步驟。
2. 思考現(xiàn)代電池管理技術(shù)。
3. 感悟科學(xué)探究精神。
4. 表達(dá)學(xué)習(xí)收獲與體會(huì)。
評(píng)價(jià)任務(wù) 知識(shí)回顧：☆☆☆
拓展思考：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
設(shè)計(jì)意圖 通過結(jié)構(gòu)化總結(jié)鞏固知識(shí)體系；聯(lián)系現(xiàn)代科技激發(fā)持續(xù)探究興趣；以富有詩意的語言升華情感態(tài)度，激勵(lì)學(xué)生投身科學(xué)探索，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)—能力—素養(yǎng)”三位一體的教學(xué)目標(biāo)。
作業(yè)設(shè)計(jì)
一、基礎(chǔ)鞏固
1. 某同學(xué)用伏安法測(cè)一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)得到的U-I圖像如圖所示。請(qǐng)根據(jù)圖像回答：
（1）該電池的電動(dòng)勢(shì)E = ______ V；
（2）該電池的內(nèi)阻r = ______ Ω。
（圖像描述：一條向下傾斜的直線，縱軸截距為1.45，橫軸截距為1.5，斜率絕對(duì)值約為0.97）
2. 在實(shí)驗(yàn)中，若電流表內(nèi)阻不可忽略，則測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)值比真實(shí)值______（填“偏大”或“偏小”），測(cè)得的內(nèi)阻值比真實(shí)值______（填“偏大”或“偏小”）。
二、能力提升
3. 設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，利用電阻箱和電壓表測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻（即伏阻法）。畫出電路圖，并寫出實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理方法。
三、實(shí)踐拓展
4. 收集家中廢舊電池，查閱資料了解不同類型電池（如堿性電池、鋰電池、鎳氫電池）的典型電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻范圍，并撰寫一份簡(jiǎn)要報(bào)告，提出合理回收建議。
【答案解析】
一、基礎(chǔ)鞏固
1.（1）1.45 （2）0.97
2. 偏小；偏大
二、能力提升
3. 電路圖：電池、開關(guān)、電阻箱串聯(lián)，電壓表并聯(lián)在電池兩端。
步驟：① 調(diào)節(jié)電阻箱至不同阻值R，記錄對(duì)應(yīng)電壓U；② 根據(jù)E = U + (U/R)r 變形為1/U = 1/E + r/(E·R)，作1/U-1/R圖像，截距為1/E，斜率為r/E，可求E和r。
板書設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)：電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量
一、實(shí)驗(yàn)原理：
E = U + Ir → U = E - Ir
↑ ↑ ↑
電動(dòng)勢(shì) 路端電壓 內(nèi)阻
二、電路圖：
[電池+] — 開關(guān) — 滑動(dòng)變阻器 — 電流表 — [電池-]
　　　　　　｜　　　　　　　　　　　｜
　　　　　電壓表
三、數(shù)據(jù)處理：
U-I圖像
↑
｜
｜　
｜　　
｜　　　
｜　　　　
｜　　　　　
——————————→ I
E = 截距（I=0）
r = |斜率| = |ΔU/ΔI|
教學(xué)反思
成功之處
1. 以手電筒變暗的生活現(xiàn)象導(dǎo)入，有效激發(fā)學(xué)生探究興趣，實(shí)現(xiàn)了從生活走向物理的自然過渡。
2. 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用小組合作模式，學(xué)生參與度高，多數(shù)小組能獨(dú)立完成電路連接與數(shù)據(jù)采集，體現(xiàn)了“做中學(xué)”的理念。
3. 結(jié)合DIS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，拓展了學(xué)生的科技視野，提升了課堂的時(shí)代感。
不足之處
1. 個(gè)別小組因接線錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，反映出部分學(xué)生電學(xué)基礎(chǔ)仍需加強(qiáng)，今后應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前增加模擬連線訓(xùn)練。
2. 時(shí)間分配略顯緊張，部分小組未能充分進(jìn)行誤差分析討論，下一課時(shí)可增設(shè)“誤差探究”專項(xiàng)活動(dòng)。
3. 對(duì)學(xué)困生的個(gè)別指導(dǎo)不夠及時(shí)，未來可設(shè)置“小老師”幫扶機(jī)制，提升分層教學(xué)效果。

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