資源簡介

4.2 《科學測量：電源的電動勢和內阻》課時教案
學科 物理 年級冊別 高二上冊 共1課時
教材 魯科版高中物理必修第三冊 授課類型 實驗探究課 第1課時
教材分析
教材分析
本節(jié)內容位于魯科版高中物理必修第三冊第四章第二節(jié)，是閉合電路歐姆定律的深化與應用。教材通過引導學生設計實驗、采集數(shù)據(jù)、分析圖像，掌握測量電源電動勢和內阻的基本方法，體現(xiàn)了“從理論到實踐”的科學探究路徑。本節(jié)內容在知識體系中承上啟下，既鞏固了電動勢、內阻、閉合電路歐姆定律等核心概念，又為后續(xù)學習多電源電路、非線性元件等復雜電路打下基礎，具有較強的實踐性和思維訓練價值。
學情分析
高二學生已具備一定的電學基礎知識，掌握了歐姆定律、串并聯(lián)電路特點及電壓表、電流表的使用方法，具備基本的實驗操作能力。但對“電動勢”這一抽象概念仍停留在理論層面，缺乏直觀感知。學生在數(shù)據(jù)處理、圖像分析、誤差評估方面經驗不足，易將電動勢等同于路端電壓。此外，部分學生動手能力較弱，實驗過程中易出現(xiàn)接線錯誤、量程選擇不當?shù)葐栴}。因此，教學中需通過情境創(chuàng)設激發(fā)探究興趣，借助小組合作降低操作門檻，利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)提升數(shù)據(jù)準確性，幫助學生實現(xiàn)從“知其然”到“知其所以然”的思維躍遷。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解電動勢是描述電源將其他形式能轉化為電能本領的物理量，掌握閉合電路歐姆定律的表達式E = U + Ir，并能用其解釋實驗現(xiàn)象。
2. 能通過實驗數(shù)據(jù)建立U-I圖像，理解圖像斜率與截距的物理意義，準確讀取電源電動勢和內阻。
科學思維
1. 能根據(jù)實驗目的設計合理的電路圖，選擇合適的實驗器材，具備初步的實驗方案設計能力。
2. 能運用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)，識別并分析實驗誤差來源，具備批判性思維和科學推理能力。
科學探究
1. 經歷“提出問題—設計方案—實驗操作—數(shù)據(jù)處理—得出結論”的完整探究過程，掌握伏安法測電源電動勢和內阻的基本方法。
2. 能在小組合作中分工協(xié)作，規(guī)范操作電學儀器，如實記錄實驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)科學探究的實踐能力。
科學態(tài)度與責任
1. 在實驗過程中養(yǎng)成嚴謹求實的科學態(tài)度，尊重實驗數(shù)據(jù)，不隨意篡改結果。
2. 認識到科學測量在工程實踐中的重要性，增強社會責任意識，理解精確測量對電池性能評估、新能源開發(fā)等領域的現(xiàn)實意義。
教學重點、難點
重點
1. 掌握伏安法測量電源電動勢和內阻的實驗原理與電路連接方法。
2. 能通過U-I圖像正確讀取電動勢E和內阻r，理解圖像斜率與截距的物理意義。
難點
1. 理解電動勢與路端電壓的區(qū)別，避免將開路電壓誤認為電動勢。
2. 分析實驗誤差來源，理解電流表內接法與外接法對測量結果的影響。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、合作探究法、講授法、實驗法
教具準備
干電池（1.5V）、滑動變阻器（0-50Ω）、電流表（0-0.6A）、電壓表（0-3V）、開關、導線若干、DIS數(shù)據(jù)采集器、電壓傳感器、電流傳感器、計算機（帶圖像分析軟件）
教學環(huán)節(jié) 教師活動 學生活動
情境導入
【5分鐘】 一、生活情境引入，激發(fā)探究興趣。 （一）、展示舊電池與新電池對比現(xiàn)象。
教師手持兩節(jié)外觀相同的干電池，分別連接同一小燈泡，引導學生觀察燈泡亮度差異。提問：“為什么兩節(jié)電池外觀一樣，但燈泡亮度卻明顯不同？這說明電池的什么特性發(fā)生了變化？”鼓勵學生從能量轉化角度思考。待學生討論后，教師揭示：電池的“電量”不僅與儲存的化學能有關，更關鍵的是它對外供電的能力——即電動勢和內阻。新電池電動勢穩(wěn)定、內阻小，輸出電壓高；舊電池電動勢下降、內阻增大，導致輸出電壓降低，燈泡變暗。
（二）、提出核心問題，明確探究任務。
教師進一步設問：“我們能否像測量電阻一樣，設計一個實驗，準確測出一節(jié)電池的電動勢和內阻？如果可以，需要哪些器材？如何連接電路？測量哪些物理量？”引導學生回顧閉合電路歐姆定律E = U + Ir，指出只要測出多組路端電壓U和干路電流I，即可通過數(shù)學方法求解E和r。由此引出本節(jié)課的主題——《科學測量：電源的電動勢和內阻》，并板書課題。過渡語：“正如愛因斯坦所說，‘理論決定我們能看到什么’。今天，我們將用閉合電路歐姆定律這把鑰匙，打開測量電源內部特性的大門。” 1. 觀察實驗現(xiàn)象，思考電池性能差異的原因。
2. 回顧閉合電路歐姆定律，思考測量方案。
3. 明確本節(jié)課的學習任務和目標。
4. 產生探究電源內部參數(shù)的強烈興趣。
評價任務 現(xiàn)象描述：☆☆☆
問題理解：☆☆☆
目標明確：☆☆☆
設計意圖 通過生活化實驗引發(fā)認知沖突，激活學生已有知識，自然引出測量需求。以“能否測量”這一驅動性問題激發(fā)探究欲望，使學生帶著明確目標進入后續(xù)學習，體現(xiàn)“從生活走向物理”的課程理念。
原理構建
【8分鐘】 一、回顧理論基礎，推導實驗原理。 （一）、重溫閉合電路歐姆定律。
教師在黑板上寫出閉合電路歐姆定律的表達式：E = U + Ir，其中E為電源電動勢，U為路端電壓，I為干路電流，r為電源內阻。強調電動勢E是電源本身的屬性，表示非靜電力將單位正電荷從負極移到正極所做的功，與外電路無關；而路端電壓U會隨外電阻變化而變化。通過公式變形得到U = E - Ir，引導學生認識到：路端電壓U與電流I呈線性關系，其函數(shù)圖像是一條向下傾斜的直線。
（二）、解析圖像物理意義。
教師在坐標系中繪制U-I圖像草圖，標注橫軸為I（電流），縱軸為U（電壓）。講解：當I = 0（斷路）時，U = E，即圖像在縱軸上的截距等于電動勢E；當U = 0（短路）時，I = E/r，即圖像在橫軸上的截距為短路電流；圖像的斜率絕對值|ΔU/ΔI| = r，即等于電源內阻。強調這是本實驗的數(shù)據(jù)處理核心——通過測量多組U、I值，繪制圖像，即可“讀”出E和r。提問：“如果實驗中電流過大，接近短路狀態(tài)，會有什么危險？”引導學生關注實驗安全，避免損壞電源或儀器。 1. 復述閉合電路歐姆定律表達式。
2. 理解U = E - Ir的線性關系。
3. 掌握U-I圖像截距與斜率的物理意義。
4. 認識短路風險，樹立安全意識。
評價任務 公式掌握：☆☆☆
圖像理解：☆☆☆
安全意識：☆☆☆
設計意圖 通過公式推導與圖像分析，將抽象的電動勢和內阻轉化為可測量的電壓、電流及可視化的圖像特征，幫助學生建立“理論指導實驗”的科學思維。強調圖像法的優(yōu)勢，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定基礎。
方案設計
【10分鐘】 一、引導學生設計實驗電路。 （一）、討論電路結構與器材選擇。
教師提問：“要測量多組U和I，需要哪些基本元件？”引導學生回答：待測電源、開關、滑動變阻器（用于改變外電阻，從而改變電流）、電流表（測I）、電壓表（測U）。接著提問：“電壓表應該接在電源兩端還是外電路兩端？”明確電壓表應并聯(lián)在電源兩極，測量的是路端電壓U。進一步追問：“電流表應如何連接？”確認電流表應串聯(lián)在干路中。在此基礎上，師生共同繪制出實驗電路圖：電源、開關、滑動變阻器、電流表串聯(lián)，電壓表并聯(lián)在電源（含開關）兩端。
（二）、分析誤差來源與改進思路。
教師指出：由于電壓表的分流作用，電流表測得的電流I_A小于電源實際輸出電流I，導致測量值偏小。引導學生思考：“如何減小這一系統(tǒng)誤差？”提示可采用電流表內接法（即電壓表直接接在電源兩極，電流表在干路），并說明這是本節(jié)課采用的標準方法。同時提醒學生注意電表量程選擇（電壓表選0-3V，電流表選0-0.6A），滑動變阻器初始阻值應調至最大以保護電路。教師利用PPT展示標準電路圖，并標注各元件符號。 1. 參與討論，提出實驗所需器材。
2. 理解電壓表與電流表的連接方式。
3. 繪制或識別正確的實驗電路圖。
4. 初步認識電壓表分流帶來的誤差。
評價任務 電路設計：☆☆☆
誤差意識：☆☆☆
規(guī)范操作：☆☆☆
設計意圖 通過問題鏈引導學生主動構建實驗方案，經歷科學探究中的“設計”環(huán)節(jié)。強調電路連接的規(guī)范性與安全性，初步滲透誤差分析思想，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒炈仞B(yǎng)。
實驗操作
【15分鐘】 一、分組實驗，采集數(shù)據(jù)。 （一）、分發(fā)器材，明確操作步驟。
將學生分為6人小組，每組配備一套實驗器材（含傳統(tǒng)電表或DIS系統(tǒng)）。教師巡視指導，強調操作要點：① 按電路圖正確連接導線，注意正負極；② 閉合開關前，滑動變阻器滑片置于阻值最大端；③ 閉合開關后，緩慢調節(jié)滑片，使電流從0.1A逐漸增大至0.5A左右，共記錄6-8組U、I數(shù)據(jù)；④ 讀數(shù)時視線垂直于表盤，及時記錄于表格中；⑤ 實驗完畢立即斷開開關。對于使用DIS系統(tǒng)的小組，指導其連接傳感器，打開數(shù)據(jù)采集軟件，設置自動記錄模式。
（二）、監(jiān)控過程，糾正操作錯誤。
教師在教室內巡回觀察，重點關注：導線連接是否牢固、電表極性是否接反、量程是否合適、滑動變阻器初始位置是否正確。發(fā)現(xiàn)錯誤及時糾正，如某組學生將電壓表接在滑動變阻器兩端，教師立即指出：“你們現(xiàn)在測的是變阻器電壓，不是電源路端電壓，請重新連接。”對于數(shù)據(jù)異常的小組，引導其檢查接觸不良或電池老化問題。鼓勵小組內部分工：一人調節(jié)變阻器，一人讀電流表，一人讀電壓表，一人記錄數(shù)據(jù)，一人監(jiān)督操作規(guī)范。 1. 小組合作，正確連接實驗電路。
2. 規(guī)范操作儀器，調節(jié)滑動變阻器。
3. 準確讀取并記錄多組U、I數(shù)據(jù)。
4. 遵守實驗紀律，注意用電安全。
評價任務 連接正確：☆☆☆
操作規(guī)范：☆☆☆
數(shù)據(jù)真實：☆☆☆
設計意圖 通過動手實踐，讓學生親歷科學探究全過程，培養(yǎng)實驗操作技能與團隊協(xié)作能力。教師的巡視指導確保實驗安全與數(shù)據(jù)有效性，體現(xiàn)“做中學”的教學理念。
數(shù)據(jù)處理
【5分鐘】 一、繪制圖像，得出結論。 （一）、指導學生繪制U-I圖像。
教師在黑板上建立U-I坐標系，示范如何根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描點。要求學生以電流I為橫坐標，路端電壓U為縱坐標，在坐標紙上描出各數(shù)據(jù)點。引導觀察：“這些點大致分布在一條直線上嗎？”確認線性關系后，指導學生用直尺畫出最能反映數(shù)據(jù)趨勢的直線（擬合直線），注意使盡可能多的點落在直線上，其余點均勻分布在兩側。
（二）、讀取電動勢與內阻。
指導學生讀取圖像縱軸截距，即為電動勢E的測量值（如1.48V）；計算圖像斜率的絕對值，即為內阻r的測量值（如0.8Ω）。提醒學生注意單位與有效數(shù)字。對于DIS系統(tǒng)組，展示計算機自動生成的U-I圖像及擬合方程U = -0.78I + 1.49，直接讀取E=1.49V，r=0.78Ω。提問：“為什么不同小組測得的E略有差異？”引導學生討論電池個體差異、接觸電阻、讀數(shù)誤差等因素。 1. 在坐標紙上描點并繪制擬合直線。
2. 讀取圖像縱截距，得出電動勢E。
3. 計算斜率絕對值，得出內阻r。
4. 比較不同小組結果，分析差異原因。
評價任務 圖像規(guī)范：☆☆☆
讀數(shù)準確：☆☆☆
結果合理：☆☆☆
設計意圖 通過圖像法處理數(shù)據(jù)，強化數(shù)形結合思想，直觀展現(xiàn)物理規(guī)律。引導學生從數(shù)據(jù)中提取信息，完成“分析與論證”環(huán)節(jié)，提升科學探究能力。
總結升華
【2分鐘】 一、回顧過程，升華主題。 （一）、系統(tǒng)總結實驗要點。
教師引導學生共同回顧：本節(jié)課我們通過實驗測量了電源的電動勢和內阻，核心原理是閉合電路歐姆定律U = E - Ir，關鍵方法是圖像法處理數(shù)據(jù)。我們經歷了“提出問題—理論分析—設計實驗—操作測量—數(shù)據(jù)處理—得出結論”的完整探究過程，這正是科學研究的典型路徑。正如法拉第在探索電磁感應時所展現(xiàn)的執(zhí)著精神，科學發(fā)現(xiàn)離不開嚴謹?shù)膶嶒炁c理性的思考。
（二）、聯(lián)系實際，展望未來。
指出：精確測量電池性能對手機、電動車、儲能電站等至關重要。未來，你們或許會參與新型電池的研發(fā)，用今天所學的科學方法，為清潔能源的發(fā)展貢獻力量。希望同學們始終保持對物理世界的好奇心，像科學家一樣思考，用實驗去驗證猜想，用數(shù)據(jù)去揭示規(guī)律。 1. 回顧實驗原理與步驟。
2. 理解科學探究的基本流程。
3. 感受物理與科技發(fā)展的聯(lián)系。
4. 增強學習物理的使命感。
評價任務 知識整合：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
未來展望：☆☆☆
設計意圖 通過結構化與激勵性結合的總結，幫助學生梳理知識脈絡，強化科學探究方法，激發(fā)學習興趣與社會責任感，實現(xiàn)知識、能力、情感的三維統(tǒng)一。
作業(yè)設計
一、基礎鞏固
1. 在“測量電源電動勢和內阻”的實驗中，某同學測得六組數(shù)據(jù)如下表：
I(A) 0.10 0.15 0.200.25 0.30 0.35U(V)1.421.381.34 1.301.261.22
(1) 請在坐標紙上作出U-I圖像。
(2) 根據(jù)圖像求出該電源的電動勢E = ______ V，內阻r = ______ Ω。
(3) 若將該電源與一個阻值為2.0Ω的定值電阻串聯(lián)，求電路中的電流為多少？
二、拓展提升
2. 某實驗小組采用如圖所示的電路測量電源電動勢和內阻，其中R為定值電阻（已知阻值），S為單刀雙擲開關。簡述實驗步驟，并推導出利用兩次電壓表讀數(shù)計算E和r的表達式。
（提示：先將S接1，讀出電壓表示數(shù)U1；再將S接2，讀出電壓表示數(shù)U2）
三、反思探究
3. 查閱資料，了解鋰電池與鉛酸電池在電動勢和內阻上的差異，并分析這些差異對電動車性能的影響。
【答案解析】
一、基礎鞏固
(1) 圖像為一條向下傾斜的直線，通過各數(shù)據(jù)點附近。
(2) E ≈ 1.50 V（縱截距），r = |ΔU/ΔI| = |(1.42-1.22)/(0.10-0.35)| = 0.20/0.25 = 0.80 Ω。
(3) 由閉合電路歐姆定律：I = E / (R + r) = 1.50 / (2.0 + 0.80) ≈ 0.536 A。
二、拓展提升
步驟：① 將S接1，記錄電壓表示數(shù)U1（此時U1 = E）；② 將S接2，記錄電壓表示數(shù)U2（此時U2 = E - I r，且I = U2 / R）；
由U2 = E - (U2/R) r，整理得：r = (E - U2) R / U2 = (U1 - U2) R / U2。
板書設計
4.2 科學測量：電源的電動勢和內阻
【實驗原理】
閉合電路歐姆定律：E = U + Ir
變形：U = E - Ir → 線性關系
【U-I圖像】
縱軸截距 → 電動勢 E
斜率絕對值 → 內阻 r
|ΔU/ΔI| = r
【實驗電路圖】
[電源]—[開關]—[滑動變阻器]—[電流表]—[電壓表]　　　　　　　　
　　　　　【數(shù)據(jù)處理】
描點 → 擬合直線 → 讀截距與斜率
教學反思
成功之處
1. 以生活實驗導入，有效激發(fā)學生探究興趣，課堂參與度高。
2. 采用傳統(tǒng)實驗與DIS數(shù)字化實驗并行，兼顧操作技能與數(shù)據(jù)精度，滿足不同層次學生需求。
3. 強調圖像法處理數(shù)據(jù)，學生能較好理解截距與斜率的物理意義，達成核心目標。
不足之處
1. 部分學生電路連接速度較慢，導致實驗時間緊張，今后可提前進行模擬連線訓練。
2. 對誤差來源的討論不夠深入，未能充分展開電流表內接法與外接法的對比分析。
3. 個別小組數(shù)據(jù)離散性較大，反映出操作規(guī)范性仍需加強，需增加過程性評價反饋。

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