測定電源電動勢和內阻實驗的深度探析與創(chuàng)新設計

黃巧曦

摘 要：電學實驗之所以能長期保持著高考熱點和重點的地位，其主要原因之一就是電學實驗是理論和經(jīng)驗并重的典范，既能全面考查學生的電學基礎知識，又能考查學生綜合分析問題的能力，以及嚴謹、周密的思維品質，試題多以教材為基礎的實驗創(chuàng)新。針對這一特點，高中物理教學中就應在注重講清常規(guī)實驗方法的基礎上，給學生以創(chuàng)新思維的方法。本文以電學核心實驗之一“測定電源電動勢和內阻”實驗為例，談具體如何夯實基礎，如何引導學生創(chuàng)新思維。

關鍵詞：電動勢；內阻；測量；創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）9-0011-4

長期以來，高考物理實驗題多為創(chuàng)新試題，即源于教材，又不拘泥于教材，這正是對高考物理《考試大綱》中所提出的物理實驗能力要求“能運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，包括簡單的設計性實驗”[1]的落實。本文就《考試大綱》中所要求的 “測定電源的電動勢和內阻” 實驗提出幾種創(chuàng)新設計，以期拓寬學生的思路，培育學生的實驗素養(yǎng)。

1 深度理解常規(guī)測量方法

特殊測量通常是建立在常規(guī)測量方法的基礎之上，因此，要讓學生認真掌握教材所介紹的測量方法——伏安法。

1.1 精心領會基本思路

首先要讓學生明白，伏安法測量電源電動勢和內阻實驗的基本思路：（1）用干電池給一只負載（滑動變阻器）供電；（2）用電壓表和電流表測量電池兩端的電壓和供電電流，設計如圖1所示的電路；（3）改變負載電阻，測出多組供電的電壓和電流；（4）對多組供電數(shù)據(jù)進行處理，得出測量結果。

1.2 精確掌握測量原理

1.3 精準分析系統(tǒng)誤差

由于電壓表的電阻并非無窮大，有一定的電流通過，所以電源供電的電流實際上是通過電流表的電流IA和通過電壓表的電流IV之和，即閉合電路歐姆定律本該寫為E=U+（IA+IV）r，而數(shù)據(jù)處理時忽略了電壓表的電流IV，因而在此引入了系統(tǒng)誤差。由于電壓越高，通過電壓表的電流IV也越大，在忽略IV只以IA描繪U-I圖像所作出的圖線（實線）必然與真實圖線（虛線）相比出現(xiàn)偏差。如圖3所示，這樣測出的電動勢和內阻均比真實值偏小。

1.4 精準選定內外接法

用電流表測量電流，并非只有圖1所示的連接方法，也可以如圖4連接。由于被測對象是電源，目的是測量電源兩端的電壓和電源的供電電流，因此，圖1的電流表位于電壓表的測量范圍之外，故稱“外接法”；而圖4的電流表位于電壓表的測量范圍之內，故稱“內接法”。顯然，這里的稱呼與“伏安法測電阻”中的稱呼正好相反，應讓學生明白其中的道理。那么，前面的實驗電路和教材介紹的實驗電路為什么都選用“外接法”，而都不選用“內接法”呢？其原因是電流表的內阻和電源的內阻直接串聯(lián)，閉合電路歐姆定律的形式為E=U+I（RA+r），可見，電流表內阻和電源內阻完全整合在一起了，測得的內阻就是這兩內阻之和。由于電流表內阻跟電源內阻大小可以比擬，這導致電源內阻測量的系統(tǒng)誤差就很大。不過，從理論推導可知“內接法”測得的電動勢卻沒有系統(tǒng)誤差，這一點也可以從圖5所示的U-I圖像作出分析。當電流越大時，電流表分壓UA也越大，在忽略UA只以電壓表讀數(shù)U描繪U-I圖像所作出的圖線（實線）與真實圖線（虛線）相比也出現(xiàn)偏差，這樣測出的電動勢與真實值相同，內阻真實值大。盡管“內接法”測得的電動勢沒有系統(tǒng)誤差，但因內阻的系統(tǒng)誤差太大，因此，寧可選用電動勢和內阻都存在較小系統(tǒng)誤差的“外接法”進行測量。

1.5 快速判定系統(tǒng)誤差

從理論推導的結果與電路結構對照發(fā)現(xiàn)，電動勢和內阻的測量結果可以用如下的方法進行快速判定。

2 深入思考創(chuàng)新測量方法

在深刻理解上述常規(guī)測量原理與系統(tǒng)誤差分析的基礎上，我們可以嘗試改變測量儀器，設計創(chuàng)新的測量方法，以此來拓展學生的思路，發(fā)展創(chuàng)新思維能力。

2.1 用電壓表和電阻箱測量

2.2 用電流表和電阻箱測量

其測量原理當然也是伏安法，只是這里沒有提供電壓表，也只能通過已知電阻大小的電阻箱來測電壓，其電路設計如圖9所示。電源供電電流就等于電流表的讀數(shù)I，電源兩端的電壓等于電流表讀數(shù)乘以電阻箱的阻值，即U=IR。顯然，這樣所得到的電壓也沒有包含電流表兩端的電壓，因此，測量結果的系統(tǒng)誤差跟前面的“內接法”相同。

2.3 用兩個電路的“橋接”測量

除了上面所介紹的測量方法外，在高中學生的認知范圍內還能設計出創(chuàng)新方法嗎？2017年福建省高中畢業(yè)班質檢卷中的電學實驗題，就模仿大學《普通物理實驗》的方法——用電位計測量電動勢[2]，設計出一道新穎的試題。盡管本題實測得分率低，其原因主要是學生不能應對沒見過的創(chuàng)新試題，并不是試題超出高中物理所學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器。因此，并沒有超出《考試大綱》的要求。試題提供的測量方法如下：

主要步驟是：a.測出鉛筆芯A、B兩端點間的距離L0；b.將電阻箱調至某一阻值R，閉合開關S1、S2、S3，移動環(huán)P使電流計G示數(shù)為零，測出此時的AP長度L；c. 改變電阻箱的阻值R，重復步驟，記錄下多組R及對應的L值。

許多中等程度以下的學生，看到一個電路中出現(xiàn)兩個電源就直接放棄了。在高中物理電學領域的學習中，如何引導學生分析此類電路，讓學生不對陌生電路產生畏懼心理呢？筆者以為，應適當拓展電路的分析，讓學生見識雙電源電路。比如，引導學生分析圖12所示的3個電路，實現(xiàn)對復雜電路認識的進階。

圖甲上下兩部分電路完全獨立，只是由一根導線將O、O'兩點連接，使這兩點為等電勢點，這樣就可判定a、b兩點電勢的高低，并求出其電勢差Uab。在甲圖分析的基礎上，就不難進階到判定圖乙電容器C哪個極板帶正電荷，并求出電容器的帶電量。進而分析丙圖，當電流計G無電流通過時，滑動變阻器的滑動片P與O點之間的電勢差。

有了這樣的分析、識別電路的能力之后，再來分析圖10電路的測量原理便有一定的基礎。因此，掌握教材提供的基本實驗方法，拓展對復雜電路的認識，這樣應對高考創(chuàng)新實驗題就有充分的把握。

參考文獻：

[1]教育部考試中心.2016年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱[M].北京：高等教育出版社，2016：148.

[2]林抒，龔鎮(zhèn)雄.高等學校試用教材普通物理實驗[M].北京：人民教育出版社，1981：221.

（欄目編輯 趙保鋼）endprint