利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究“伏安法測(cè)電阻的內(nèi)外接法”

王剛 郭偉

摘要：伏安法測(cè)電阻的基本思想是部分電路歐姆定律的應(yīng)用，在測(cè)量中由于要考慮電表內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，就會(huì)涉及電流表內(nèi)接和外界的問(wèn)題，如何在實(shí)際測(cè)量時(shí)選擇合適的測(cè)量方法。通過(guò)GQY數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，應(yīng)用傳感器采集數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，從而使學(xué)生深刻理解伏安法內(nèi)外接產(chǎn)生誤差的原因和實(shí)驗(yàn)方法選擇的條件。

關(guān)鍵詞： GQY數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái);控制變量法;伏安法測(cè)電阻

“從接受性的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫W(xué)習(xí)，改變單一的個(gè)體學(xué)習(xí)方式，倡導(dǎo)獨(dú)立自主與合作交流相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式”這是課程改革的要點(diǎn)之一。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。豐富的傳感器可以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn);信息化的實(shí)驗(yàn)手段可以拓展學(xué)生探究日常生活中物理現(xiàn)象的能力，從而能激發(fā)學(xué)生探究的欲望;強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和開(kāi)放的平臺(tái)有利于學(xué)生通過(guò)努力發(fā)現(xiàn)問(wèn)題尋找規(guī)律，有利于學(xué)生將信息科技所學(xué)的知識(shí)引入到物理學(xué)科的學(xué)習(xí)中。筆者以《伏安法測(cè)電阻》為例，詳細(xì)介紹了內(nèi)接外接的誤差分析，充分展現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的高效性，準(zhǔn)確性。

伏安法測(cè)電阻電路可以分為兩部分：控制電路和測(cè)量電路?？刂齐娐分饕砷_(kāi)關(guān)和滑動(dòng)變阻器組成，測(cè)量電路主要由被測(cè)元件和電流表、電壓表組成。設(shè)計(jì)型電學(xué)實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮侠淼脑O(shè)計(jì)控制電路和測(cè)量電路。

一、電流表、電壓表在電學(xué)量測(cè)量中的應(yīng)用

電學(xué)量的測(cè)量一般離不開(kāi)電流表和電壓表的使用，由于電表有內(nèi)阻，在接入電路中一定會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，下表對(duì)電流表內(nèi)接和外接兩種測(cè)量方法對(duì)測(cè)量值的影響進(jìn)行了對(duì)比。

從比較的的結(jié)果可以看出，無(wú)論用那種方法都會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，如何減小實(shí)驗(yàn)誤差是我們選擇電流表內(nèi)接和外接的關(guān)鍵;怎樣選擇伏安法的內(nèi)接和外接？

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究伏安法測(cè)電阻的內(nèi)外接法

【實(shí)驗(yàn)器材】電阻兩個(gè)（一個(gè)是20Ω、另一個(gè)是200Ω，作為標(biāo)準(zhǔn)電阻，如圖1），J0407電流表一個(gè)，J0408電壓表一個(gè)，滑動(dòng)變阻器一個(gè)（50Ω），學(xué)生電源一臺(tái)，電流傳感器一個(gè)，電壓傳感器一個(gè)，數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)（如圖2）。

【實(shí)驗(yàn)電路】（如圖3、圖4）

【實(shí)驗(yàn)操作】

1.按實(shí)驗(yàn)電圖連接好電路，正確選擇電表量程。

2.點(diǎn)擊電腦桌面“單機(jī)運(yùn)行平臺(tái)”，進(jìn)入GQY-elab系統(tǒng)，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊界面中的“打開(kāi)文件”按鈕，選擇桌面中“伏安法測(cè)電阻”文件夾中的“伏安法測(cè)電阻.XMLP”的模板文件進(jìn)入操作界面。（如圖5）

3.在實(shí)驗(yàn)操作界面中，點(diǎn)擊“設(shè)備連接”，查找傳感器，設(shè)備連接正常，可以開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。（如圖6、如圖7）

4.測(cè)量20Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)電源選擇4V輸出，測(cè)量200Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)電源選擇10V輸出。

5.單擊實(shí)驗(yàn)操作界面中的“ON”按鈕，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（圖8）單擊“OFF”結(jié)束數(shù)據(jù)采集，利用GQY-elab系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，比較測(cè)量20Ω采用內(nèi)接外接和測(cè)量200Ω采用內(nèi)接外接的數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差分析，進(jìn)而得出結(jié)論。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

以上實(shí)驗(yàn)是我們把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的電學(xué)傳感器和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的電流表、電壓表同時(shí)測(cè)量電路中的電學(xué)量。完成實(shí)驗(yàn)后，把兩種測(cè)量手段得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)數(shù)字采集器把電學(xué)傳感器測(cè)量的電學(xué)量傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過(guò)分析軟件根據(jù)教學(xué)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)表格和圖像表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖像中橫軸表示電流，縱軸表示電壓，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到電阻的U-I曲線，其中圖線的斜率Y，代表電阻，其擬合后的數(shù)據(jù)在圖中已表示。測(cè)量結(jié)果如下（如圖9，圖10）：

2.與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較（見(jiàn)下表）

我們把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以看出使用了電流傳感器和電壓傳感器，測(cè)量出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近標(biāo)準(zhǔn)電阻的真實(shí)值;兩種測(cè)量方式皆顯示了，當(dāng)測(cè)量小電阻時(shí)采用外接法比內(nèi)接法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，當(dāng)測(cè)量大電阻時(shí)采用內(nèi)接法比外接法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

四、傳感器與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比存在的優(yōu)勢(shì)

1.傳感器的量程寬，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)多，測(cè)量準(zhǔn)確度高。

2.測(cè)量速度快，由于電子測(cè)量是通過(guò)電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因而測(cè)量速度很快。只有高速度的測(cè)量，才能測(cè)出實(shí)時(shí)變化的物理量，這正是它在現(xiàn)代科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的重要原因。

3.易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化，由于微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理器的應(yīng)用，使電子測(cè)量呈現(xiàn)了嶄新的局面。電子測(cè)量同計(jì)算機(jī)相結(jié)合，使測(cè)量?jī)x器智能化，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化。例如：在測(cè)量中能實(shí)現(xiàn)程序控制、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程、自動(dòng)診斷故障和自動(dòng)修復(fù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果可以自動(dòng)記錄、自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等。

4.對(duì)實(shí)驗(yàn)參與者的素質(zhì)提出了更高的要求。

參考文獻(xiàn)

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項(xiàng)目基金：*本文系河北省教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題“高中學(xué)校構(gòu)建校級(jí)名師工作室，促進(jìn)教師專業(yè)成長(zhǎng)的行動(dòng)研究”（1804081）系列成果之一。

*本文系河北省教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題“高中物理教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的策略研究”（1704094）系列成果之一