高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)《測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻》的基本方法及誤差分析

何妹才

《測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)》是高中物理重要實(shí)驗(yàn)之一，也是高考的熱門考點(diǎn)。與近年來的高考試題相比，該實(shí)驗(yàn)的測試點(diǎn)主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)原理和圖像處理上。它對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)誤差分析和數(shù)據(jù)處理能力、知識遷移和創(chuàng)新思維能力有較高的要求，注重培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于電路選擇和誤差分析，因此本文首先從基本伏安法入手，運(yùn)用三種常用方法進(jìn)行誤差分析，然后比較和擴(kuò)展伏安法的四種變式及其誤差，找到共同點(diǎn)，更好地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、伏安法測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的內(nèi)外接法

1.電路分析

伏安法測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻有兩種方法，分別是電流表外接法（如圖1所示）和電流表內(nèi)接法（如圖2所示）。與《伏安法測電阻》實(shí)驗(yàn)不同的是，本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)外接法不是以電流表和待測電阻的連接方法為判斷依據(jù)，而是以電流表和電源的連接方法為判斷依據(jù)，因?yàn)樵诒緦?shí)驗(yàn)中的待測電阻實(shí)為電源的內(nèi)阻，這也是學(xué)生較為疑惑之處。

2.誤差分析

根據(jù)閉合電路歐姆定律E=U+Ir，此處的U應(yīng)為路端電壓和I為相應(yīng)的干路電流，本實(shí)驗(yàn)使用的是實(shí)際電表，由于電表內(nèi)阻的存在，不可避免地存在實(shí)驗(yàn)誤差。若采取圖1的電流表外接法，由于電壓表分流，電流表所測電流小于其干路電流;若采取圖2的電流表內(nèi)接法，由于電流表分壓，電壓表所測電壓小于路端電壓。這兩種方法各有利弊，那么哪種方法比較合適，在實(shí)踐中應(yīng)該如何選擇？為了解決這個(gè)問題，我們必須先從這兩種方法產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差開始，然后結(jié)合實(shí)際電路作出正確的選擇。

針對伏安法的這兩種接法的誤差分析，常用方法有三種，分別是圖像分析法、公式分析法、等效電源法（詳見表1所示）。

3.電路選擇建議

通過表1的比較可以看出，采用電流表外接方式時(shí)，電壓表的內(nèi)阻RV遠(yuǎn)大于外電阻R，以減少電壓表分流帶來的誤差。當(dāng)電流表內(nèi)部連接時(shí)，電流表的內(nèi)阻RA應(yīng)比電源的內(nèi)阻R小得多，以減少電流表分壓引起的誤差。在多數(shù)情況下，電源的內(nèi)阻r一般較小，而電流表的內(nèi)阻RA通常比電源的內(nèi)阻大，若使用電流表內(nèi)接法會(huì)有較大誤差，故通常使用電流表外接法，但是對于內(nèi)阻比較大的特殊電池，則要采用電流表內(nèi)接法。在伏安法的內(nèi)外接法中，可以用變阻箱來替代滑動(dòng)變阻器，對實(shí)驗(yàn)誤差無影響。

二、測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)變式——伏阻法和安阻法

1.電路分析

伏阻法和安阻法，實(shí)際上是伏安法的一種變式，它們電路的共同特點(diǎn)是一個(gè)電表和變阻箱的組合。這兩種方法要利用變阻箱，間接地測量出電流（或電壓），同時(shí)還利用它改變電路的電壓（或電流）值進(jìn)行多次測量，故此處不可使用滑動(dòng)變阻器替代變阻箱。

2.誤差分析

誤差分析如表2所示。

四、教學(xué)策略指導(dǎo)

近年的全國高考物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題，往往考查的是學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法的遷移創(chuàng)新能力。伏阻法、安阻法、伏伏法、安安法其實(shí)就是伏安法的變式，實(shí)驗(yàn)原理和誤差分析方法也是類似的，因此教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要引導(dǎo)學(xué)生多在遷移變化上下功夫，重視實(shí)驗(yàn)原理和方法的遷移，使其能夠靈活運(yùn)用所學(xué)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法解決問題，達(dá)到舉一反三的目的，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。此外，要加強(qiáng)對學(xué)生讀圖能力的培養(yǎng)，正確理解圖像的物理意義，根據(jù)不同的電路結(jié)構(gòu)靈活改變物理量的函數(shù)關(guān)系，巧用圖像解決相關(guān)物理量。

責(zé)任編輯 羅 峰