關(guān)注電表內(nèi)阻　翻轉(zhuǎn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)

徐　平

(江蘇省海安縣南莫中學(xué)，江蘇　海安　226681)

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關(guān)注電表內(nèi)阻翻轉(zhuǎn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)

徐平

(江蘇省海安縣南莫中學(xué)，江蘇海安226681)

摘要：在用伏安法測電阻、測定電源的內(nèi)阻等實(shí)驗(yàn)中，判斷電流表的內(nèi)外接是關(guān)鍵步驟.習(xí)慣思維是比較待測電阻與電表的內(nèi)阻關(guān)系，當(dāng)時(shí)用電流表外接法，時(shí)用電流表內(nèi)接法，當(dāng)時(shí)用內(nèi)外接法均可.不少師生常常忽視這種判斷方法的前提是只知電表內(nèi)阻的大約值，如果已知電表內(nèi)阻的準(zhǔn)確值，不理解實(shí)驗(yàn)原理一味套用結(jié)論將會(huì)出錯(cuò)，關(guān)注電表內(nèi)阻的給定情況顯得尤為重要.

關(guān)鍵詞：伏安法測電阻；測定電源的內(nèi)阻；電表內(nèi)阻

“伏安法測電阻”和“測電源電動(dòng)勢與內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)中都要使用到電流表和電壓表，但由于實(shí)際的電流表和電壓表都存在著一定的電阻，使得測量存在著系統(tǒng)誤差.有時(shí)為了研究問題的方便，假設(shè)電表為理想電表，有時(shí)只是給出電表內(nèi)阻的大約值，有時(shí)又給出它的確定值，這就給電學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來了不小的變化，稍不注意就導(dǎo)致錯(cuò)誤.本文就此做一些歸納分析，以供參考.

1伏安法測電阻的常規(guī)測量與精確測量

1.1對比分析

對該實(shí)驗(yàn)的常規(guī)測量和精確測量情況的分析如下表.

比較常規(guī)測量精確測量電阻滿足的條件RxRARV的大電阻RxRARV電表內(nèi)阻情況已知兩電表內(nèi)阻的大約值已知電流表內(nèi)阻的具體值 和電壓表大約值已知電壓表內(nèi)阻的具體 值 和電流表大約值選用的電路圖(以滑動(dòng)變阻器的分壓式解法為例)產(chǎn)生誤差原因及分析由于電壓表的分流,R測R真=U-UAI,R測=R真+RA.沒有系統(tǒng)誤差,R測=UI=R真+RA.沒有系統(tǒng)誤差,R測=UI為RV與Rx并聯(lián)的總電阻,R真=URVIRV-U.

1.2典型例題

例1：半導(dǎo)體材料受到外力后，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應(yīng)”.如圖1所示，研究半導(dǎo)體長薄板電阻Rx的壓阻效應(yīng)，已知Rx的阻值變化范圍為幾歐到幾十歐，實(shí)驗(yàn)室中有下列器材：

圖1

A. 電源(3V，內(nèi)阻約為1Ω)

B. 電流表(0—0.6A，內(nèi)阻RA=5Ω)

C. 電壓表(0—3V，內(nèi)阻RV約為3kΩ)

D. 滑動(dòng)變阻器R0

E. 開關(guān)S，導(dǎo)線若干

(1) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)確測量電阻Rx電路，在圖1所示虛線框內(nèi)補(bǔ)全電路原理圖.

(2) 在圖1電路中，在水平放置的半導(dǎo)體長薄板電阻Rx上加一個(gè)豎直向下的力F(設(shè)豎直向下為正方向)，閉合開關(guān)S，記下電流表的讀數(shù)I，電壓表的讀數(shù)U，圖1電路測量電阻的表達(dá)式為Rx=.(用字母表示)

圖2

圖3

點(diǎn)評：伏安法測電阻是電學(xué)最基本的核心實(shí)驗(yàn)，關(guān)于電流表的接法，相當(dāng)一部分學(xué)生死記存在系統(tǒng)誤差的實(shí)驗(yàn)方法，不能根據(jù)題設(shè)的具體條件，從最基本的歐姆定律原理著手分析.其原因之一是實(shí)驗(yàn)的遷移能力缺失；原因之二是沒有認(rèn)真審題.本題中電流表內(nèi)阻為5Ω，不是大約值，(1)中要求設(shè)計(jì)準(zhǔn)確測量電阻Rx電路，隱含設(shè)計(jì)消除了系統(tǒng)誤差的電路，考查學(xué)生從減小誤差的慣性思維翻轉(zhuǎn)到消除系統(tǒng)誤差的思維能力.如果平時(shí)就建立起這種意識(shí)，正確求解就顯得十分輕松.

2電源電動(dòng)勢與內(nèi)電阻的常規(guī)測量和精確測量

2.1對比分析

電源電動(dòng)勢與內(nèi)電阻的常規(guī)測量和精確測量的分析如下表，其出發(fā)點(diǎn)是閉合電路歐姆定律E=U+IR，其中U為路端電壓，I為電路的總電流(或通過電源的電流)，選用的測量電路及拓展都是圍繞它展開的.

比較常規(guī)測量精確測量電源內(nèi)阻范圍r<>RA(如水果電池內(nèi)阻大)電表內(nèi)阻情況已知電流表或電壓表內(nèi)阻的大約值,準(zhǔn)確值未知.RA已知,RV未知.RV已知,RA未知.選用的電路圖拓 展誤差及分析由圖知E測r真存在著系統(tǒng)誤差.將選用電路圖的虛線方框中電流表和電源等效為電流源,電動(dòng)勢和內(nèi)阻能均精確測量,實(shí)驗(yàn)中不存在系統(tǒng)誤差,E測=E真,r真=r測-rA.將選用電路圖的虛線方框中電壓表和電源等效為電壓源,外電路斷開時(shí)電壓表讀數(shù)為電動(dòng)勢,E真=E測RVRV+r真(),測量的是電源與電壓表并聯(lián)的總電阻,r真=RVr測RV-r測.

2.2典型例題

例2：在測量一節(jié)干電池電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r的實(shí)驗(yàn)中，小明設(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)電路．

圖4

(1) 根據(jù)圖4實(shí)驗(yàn)電路，請?jiān)趫D5中用筆畫線代替導(dǎo)線，完成實(shí)物電路的連接．

圖5

(2) 實(shí)驗(yàn)開始前，應(yīng)先將滑動(dòng)變阻器的滑片P調(diào)到(選填a或b)端．

(3) 合上開關(guān)S1，S2接圖4中的1位置，改變滑動(dòng)變阻器的阻值，記錄下幾組電壓表示數(shù)和對應(yīng)的電流表示數(shù)；S2改接圖4中的2位置，改變滑動(dòng)變阻器的阻值，再記錄下幾組電壓表示數(shù)和對應(yīng)的電流表示數(shù)．

在同一坐標(biāo)系內(nèi)分別描點(diǎn)作出電壓表示數(shù)U和對應(yīng)的電流表示數(shù)I的圖像，如圖6所示，兩直線與縱軸的截距分別為UA、UB，與橫軸的截距分別為IA、IB．

圖6

① S2接1位置時(shí)，作出的U-I圖線是圖6中的(選填“A”或“B”)線；測出的電池電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r存在系統(tǒng)誤差，原因是．

② 由圖6可知，干電池電動(dòng)勢和內(nèi)阻的真實(shí)值分別為E真=，r真=

解析：(1) 將圖5中單刀雙擲開關(guān)的接線柱至左向右依次標(biāo)上1、2、3序號(hào)，對照電路分別從1、2、3出發(fā)分三路補(bǔ)全實(shí)物電路如圖7；

圖7

(2) 實(shí)驗(yàn)開始前，應(yīng)先將滑動(dòng)變阻器的滑片P調(diào)到電阻最大位置(即a端)，使得電路中的電流最??；

點(diǎn)評：本題中沒有給出電流表和電壓表的內(nèi)阻的準(zhǔn)確值，必須考慮電流表和電壓表的內(nèi)阻對測量電動(dòng)勢和內(nèi)電阻的影響.根據(jù)閉合電路歐姆定律，結(jié)合圖像準(zhǔn)確理解電源電動(dòng)勢和短路電流的含義是求解的關(guān)鍵.

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐平.由實(shí)驗(yàn)性高考題引發(fā)的思考〔J〕.物理教師,2014，(9).

[2] 張惠作.淺議高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新病癥〔J〕.物理教學(xué),2013，(10).

·試題研究·