由高考實(shí)驗(yàn)題談“測(cè)定電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的教學(xué)

從近幾年高考實(shí)驗(yàn)題來(lái)看，并沒(méi)有照搬課本中的實(shí)驗(yàn)，都是基于原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改編創(chuàng)新，側(cè)重考查基本原理和基本實(shí)驗(yàn)技能，在平時(shí)教學(xué)中在搞清實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)方法，儀器使用方法的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地進(jìn)行創(chuàng)新是很有必要的，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。本文結(jié)合測(cè)定電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)及情境變式進(jìn)行深入探討。（關(guān)于伏安測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)各種教學(xué)雜志報(bào)紙討論得很多，這里就不在涉及，而關(guān)于此實(shí)驗(yàn)的討論較少，電學(xué)實(shí)驗(yàn)又是高考必考實(shí)驗(yàn)，我在教學(xué)中作了初步整理供大家參考。）

1 測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的基本原理

測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)原理是閉合電路的歐姆定律。E=U+Ir如果測(cè)出U、I兩組數(shù)據(jù)，就可以解出E和r。為了減小誤差，根據(jù)U=E－Ir多測(cè)幾組U和I的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)中的描點(diǎn)作出U－I圖象，圖象為一條直線，這條直線與 U坐標(biāo)軸的交點(diǎn)。表示I=0，屬于斷路，路端電壓即為電源電動(dòng)勢(shì)E，直線與I坐標(biāo)軸的交點(diǎn)為U=0，為短路的情況短路電流I0，r=EI0，可求出電源的內(nèi)阻r。

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2 測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)變式

2.1 增加保護(hù)電阻及儀器的選擇

例1 如圖電路測(cè)一節(jié)蓄電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，因蓄電池的內(nèi)阻非常小，為防止調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器時(shí)造成短路，電路中用了一個(gè)保護(hù)電阻R0，除蓄電池、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線外，可供使用的實(shí)驗(yàn)器材還有：

a.電流表（量程0.6A3A）

b.電壓表(量程 3V15V)

c.定值電阻(阻值1 ，額定功率5W)

d.定值電阻(阻值10 ，額定功率10W)

e.滑動(dòng)變阻器(阻值范圍：0-10 ，額定電流2A)

f.滑動(dòng)變阻器（阻值范圍0-200 ，額定電流1A）

請(qǐng)選擇電流表和電壓表的量程，定值電阻和滑動(dòng)變阻器，選用哪個(gè)？

解析 一節(jié)蓄電池電動(dòng)勢(shì)為2V，電壓表量程應(yīng)選3V，定值選擇阻值為1Ω的，若選擇10Ω的則最大電流小于0.2A，安培表不論用哪個(gè)量程測(cè)量都不太準(zhǔn)確，電路電流最大電流不超過(guò)2A，電流表的量程應(yīng)選3A，電壓表電流表讀數(shù)最好在量程的12到13之間，根據(jù)控制最小電流的需要，滑動(dòng)變阻器最大電阻不超過(guò)幾歐？該電路中滑動(dòng)變阻器應(yīng)選阻值為0-10Ω的，滑動(dòng)變阻器0-10Ω更易于調(diào)節(jié)在幾歐范圍的變化，且滑動(dòng)變阻器0-200Ω，額定電流也不符合要求。

2.2 無(wú)電壓表或電壓表不適合的情況

無(wú)電壓表情況可由電阻箱和電流表配合，如圖：

E=IR+Ir 實(shí)質(zhì)是用IR代替了原來(lái)的路端電壓U。

電壓表如果不適合，可想到電壓表的改裝，或電流表改裝為電壓表。

例2 在測(cè)定一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中有下列器材：

a.干電池（E約為1.5V，內(nèi)阻約為1.0Ω）

b.電壓表V（0-15V）

c.電流表A（0-0.6A，內(nèi)阻0.1Ω）

d.電流表G（滿偏電流3mA，內(nèi)阻Rg=10Ω）

e.滑動(dòng)變阻器R1（0-10Ω，10A）

f.滑動(dòng)變阻器R2（0-100Ω，1A）

g.定值電阻R3=990Ω

h.開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干

為了方便準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，請(qǐng)選擇相關(guān)器材，并畫(huà)出電路。

解析 顯然電壓表量程太大不適合本次實(shí)驗(yàn)要求，本題提供了電流表和定值電阻（電阻箱也可以），可用電流表和定值電阻改裝為電壓表，如圖：

2.3 無(wú)電流表或電流表量程不適合

無(wú)電流表情況下可考慮用電阻箱和電壓表來(lái)測(cè)量，如圖：

E=U+URr 實(shí)質(zhì)用UR代替原來(lái)的I

例3 測(cè)量?jī)晒?jié)干電池串聯(lián)而成的電池組的電動(dòng)勢(shì)，E和內(nèi)阻r（幾歐）有下列器材：

a.電阻箱R1（0-9999Ω）

b.電流表G（滿偏3mA，內(nèi)阻Rg=10Ω）

c.電阻箱R2（0-9999）

d.開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干

解析 很顯然該題中電流表量程太小，若用例2進(jìn)行測(cè)量，路端電壓變化太小，描點(diǎn)作圖時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)太密集，誤差太大可以考慮將電流表G和電阻改裝為量程為3V的電壓表如圖。

2.4 將實(shí)驗(yàn)題和電路計(jì)算相結(jié)合

根據(jù)閉合電路歐姆定律，列方和求解。

例4 （2005年高考題）測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)E及內(nèi)阻r （E約為4.5V，r 約為1.5Ω）

器材 量程3V的理想電壓表，量程0.5A的電流表（具有一定內(nèi)阻），固定電阻R=4Ω，滑動(dòng)變阻器R0開(kāi)關(guān)S、導(dǎo)線若干。

（1）畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路原理圖，圖中各元件需用題目中給出的符號(hào)或字母標(biāo)出。

（2）實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電流表讀數(shù)表讀數(shù)為I1時(shí)，電壓表讀數(shù)為V1；當(dāng)電流表讀數(shù)為I2時(shí)，電壓表讀數(shù)為V2，則可求出E=_______;r=__________。（用I1、I2、U1、U2及R表示）

解析 該題與課本實(shí)驗(yàn)的區(qū)別是電源電動(dòng)勢(shì)大于理想電壓表的量程，題目中提供了一個(gè)阻值不大的固定電阻，這就很容易把情景變式題“遷移”到學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)上，把固定電阻接在電源的旁邊，把它看成電源的內(nèi)阻，如圖連接電路，“路端”電壓減小，通過(guò)計(jì)算電壓表所測(cè)量的“外電壓”符合量程要求。

實(shí)驗(yàn)如圖所示：

E=U1+I1（R+r）

E=U1+I2（R+r）

E=I1U2-I2U1I1-I2，r=U2-U1I1-I2 -R

高考中，實(shí)驗(yàn)命題的不再局限課本，利用規(guī)定的實(shí)驗(yàn)原理、方法、器材重新組合實(shí)驗(yàn)考題，同時(shí)編制簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)來(lái)考查獨(dú)立解決問(wèn)題的能力和遷移能力，有效地防止了一些學(xué)生不理解實(shí)驗(yàn)原理，不認(rèn)真操作，而是“背”實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象發(fā)生，在教學(xué)中，要求學(xué)生必須掌握好物理實(shí)驗(yàn)的基本原理和基本技能，并能總結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用到物理思想和實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一系列的創(chuàng)新變化，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)考題的分析能力、解決能力。