伏安法測電阻教學心得

陸小軍

摘要高中物理教材閉合電路歐姆定律的應(yīng)用中安排了用伏安法測量未知電阻的阻值的實驗。這個實驗涉及的知識面廣,實驗技能要求高,學生在實驗中常常會在遇到這樣或那樣的問題,本文就教學中筆者遇到的問題談一下自己的教學心得。

關(guān)鍵詞伏安法測電阻 實驗

中圖分類號:G633.7文獻標識碼:A

高中物理教材閉合電路歐姆定律的應(yīng)用中安排了這樣一個學生實驗:伏安法測量未知電阻的阻值。這個實驗涉及的知識面廣,實驗技能要求高,學生在實驗中常常會在遇到這樣或那樣的問題,如果我們不能在事先有所準備,就會在課堂上無所適從。在這個實驗教學中筆者就遇到這樣一些問題。

首先是實驗方法。我們測量電阻沒有用萬用電表直接測量,而是用電流表與電壓表分別測出電阻兩端的電壓與電流,然后用歐姆定律算出該導體的電阻值的方法。其實這種方法我們以前也用過,如測量物質(zhì)的密度,我們只要測出該物質(zhì)的質(zhì)量和體積,用密度公式就能算出物質(zhì)的密度;測量固體對水平地面的壓強,只要測出固體的重力和固體與地面之間的受力面積就可以了。不少學生到實驗室不知道測量什么,為什么要這么做,這些都是由于不少學生沒有把握好實驗方法的結(jié)果。

其次是實驗器材的選擇。在實驗桌上放著一些器材,有的用得到,有的用不到,在不加說明的情況下,學生們拿起來就用,什么器材都要接上去,也不考慮實驗操作的規(guī)程,這樣會損壞實驗器材。鑒于此,我們在實驗前必須告知學生要有選擇地使用實驗器材,電源電壓應(yīng)選多大的,太大了易損壞器材,而太小了實驗的效果不明顯,實驗中要不要滑動變阻器,滑動變阻器要選什么規(guī)格的,同樣存在選擇不當不能起到應(yīng)有的作用。

第三是在接線中的問題。讓學生接線時大多數(shù)情況下學生能夠正確接線。在未加說明時,學生有兩種接線的方法:一是電壓表接在電阻R的左右兩端,就是我們書上所畫的電路圖那樣接線的;另一種是電壓表接在R與電流表的兩端。這兩種接線方法去測量同一電阻它的電阻值卻不同。學生是不可能知道問題究竟出在哪的。而我們知道,這兩種方法都不能準確地測量出未知電阻的阻值。我們這里能用這樣的方法來測量電阻值,完全是由于我們是把電流表的電阻看成是零歐,即電流表沒有電阻,電壓表的電阻看成是無限大。而事實上電壓表的電阻也不是無窮大,有的只有幾千歐到幾十千歐,電流表的電阻也不為零,小的也有零點幾歐。學生測量出的同一定值電阻的阻值,用以上的兩種不同方法測量出的結(jié)果不一樣也是正常的。這是由實驗方法所決定的,物理上把它叫做系統(tǒng)誤差。

前一種方法叫外接法。就是電流表接在外邊,測出的電阻值比電阻的真實值要小。此時電壓表與R兩端的電壓相等,但電壓表的電阻不為無窮大,它就具有分流作用,使得電流表的示數(shù)大于流過電阻R的電流,用兩者的和代替其中的一個故電流偏大,由歐姆定律R=U/I算出的電阻值就會偏小。如果電壓表的電阻值比所測量的電阻阻值大得多,這時電壓表的分流很小時,用這種方法誤差就比較小。

后一種方法叫做內(nèi)接法。就是電流表接在電壓表的里邊,用這種方法測得值要大于該電阻的真實值。此時電流表的示數(shù)與通過R中的電流相等,但由于電流表的內(nèi)阻并不為零,因而電流表就具有分壓作用,使電壓表的示數(shù)大于R兩端的電壓,用兩者的和代替其中的一個故電壓偏大,由歐姆定律R=U/I算出的電阻也就大于該電阻的真實值。但如果電流表的阻值遠遠小于所測量的電阻值,這時電流表的分壓很小時,用這種方法誤差就比較小。

學生在實驗中遇到這樣的情況是很正常的,我們要正確地引導。當然在這個實驗中我們事先不知道待測電阻的大小,也不知道電流表與電壓表的電阻的大小。為了快速、準確地確定用哪一種方法比較好,我們可以按以下的步驟進行操作:將待測電阻與電流表串聯(lián),電壓表的左端固定在電阻R的左端,將電壓表的另一端先后接觸電阻的右端和電流表的右端,比較兩次接觸中電表的示數(shù)的變化情況:如果電壓表的示數(shù)變化顯著,說明電流表的電阻比較大,此時電流表的分壓作用明顯,應(yīng)當使用外接法,使測出的電壓值為電阻兩端的電壓值,這時誤差較小;如果電流表的示數(shù)變化明顯,說明電壓表的電阻不夠大,此時電壓表的分流作用明顯,應(yīng)當使用內(nèi)接法,使測得的電流值為通過電阻的電流值,這時誤差較小。

第四是對教材中安排的兩個實驗理解不夠。同樣是測量電阻值,為什么一個測量三次的目的可以取平均減小實驗的誤差,而另一個導體的電阻值卻是可變的?

教材中安排了這樣的兩個實驗的目的是在加深學生對歐姆定律的理解的同時,使學生對所測出的數(shù)據(jù)進行不同的思考,從而從不同方面加深對電阻概念的理解,對于學生的學習方法和能力的培養(yǎng)有不同的作用。

這兩個實驗有許多相同之處,但也有許多不同之處。實驗的原理都是R=U/I;實驗所用到的器材是基本相同(定值電阻與小燈泡不同);實驗電路基本相同,在連接電路時的需要注意的事項相同,必須注意的是:連接電路時開關(guān)要斷開;在閉合開關(guān)前將滑動變阻器的阻值調(diào)到最大。而且滑動變阻器的作用也是相同的,都是改變燈泡或定值電阻兩端的電壓和保護電路,同時在它們兩端的電壓改變時,導體中的電流也跟著改變。實驗中的故障原因相同。如電路中電壓表有示數(shù)而電流表的示數(shù)幾乎為零,都是由于電阻或燈泡出現(xiàn)了開路。

在這兩個實驗中也存在著許多不同之處,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:實驗中操作不同。在測量小燈泡電阻的實驗中,測量時要求接通電源后通過調(diào)節(jié)滑動變阻器把電壓調(diào)到燈泡的額定電壓,測量從該電壓開始逐次降低,獲得幾組數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了避免小燈泡兩端的電壓過高,燒壞小燈泡,而在測量定值電阻的阻值的實驗中則沒有這個要求;記錄實驗數(shù)據(jù)的表格不同。小燈泡燈絲的電阻隨著它兩端的電壓的變化而變化,不是一個固定的值,所以在設(shè)計表格時,沒有必要設(shè)計求平均值這一欄,而是加上燈泡的亮度一欄。由于定值電阻是采用對電流阻礙作用受溫度影響小的材料制作的,因此,當定值電阻兩端的電壓發(fā)生變化時,定值電阻的阻值變化很小,可以忽略不計。為了減小實驗誤差,在實驗中采用了多次測量取平均值作為待測電阻的阻值,來減小實驗誤差;I—U圖像不同。對數(shù)據(jù)的分析和處理,可以采用物理中常用的圖像法進行分析,定值電阻的I—U圖像是一個正比例函數(shù),是一條經(jīng)過原點的直線,學生據(jù)此可以得出定值電阻的阻值是不變的。而小燈泡的電阻則隨電壓的變化而變化,因此它的I—U圖像就不是一條直線。

在實驗教學中不管遇到什么問題,我們不能牽強附會,搪塞了事,而應(yīng)實事求是,正確面對,理性分析,科學的東西來不得半點虛假,這樣做有助于培養(yǎng)學生對待科學的實事求是的態(tài)度。