《測量電源電動勢與內(nèi)電阻》的實驗專題教學(xué)的探究

涂富根

摘 要：《測量電源電動勢與內(nèi)電阻》的實驗，其測量的理論依據(jù)就是閉合電路歐姆定律。對本實驗的考查在近年的高考中出現(xiàn)的頻率比較高，高考考查的是學(xué)生的綜合能力，如何在本實驗的專題復(fù)習(xí)中引導(dǎo)學(xué)生進行思考和分析以培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用物理知識的能力，就要讓學(xué)生把握基本原理，領(lǐng)會萬變不離其宗的道理，即在不變的基本原理的基礎(chǔ)上找變化，在變化中抓住不變的基本原理。

關(guān)鍵詞：高考；實驗；專題；培養(yǎng)；能力；創(chuàng)新

《測量電源電動勢與內(nèi)電阻》的電學(xué)實驗是高中物理學(xué)生分組實驗之一，本實驗不僅是對閉合電路歐姆定律的理解和應(yīng)用的深化，而且能對學(xué)生動手能力及綜合應(yīng)用物理知識的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著重大而深遠的意義。因而在教學(xué)時不僅要讓學(xué)生動手進行實驗探究，以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和強化學(xué)生對本實驗的原理的理解，而且要在教學(xué)中對本實驗進行適當(dāng)拓展和延伸。特別是在高考電學(xué)專題實驗復(fù)習(xí)時更要抓住機遇進行拓展和深化，以引導(dǎo)學(xué)生進行深入探究從而培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力和創(chuàng)新意識。因此、筆者想通過在電學(xué)實驗專題復(fù)習(xí)時，針對本實驗涉及的以下幾個問題來引導(dǎo)學(xué)生進行思考和探究以達到對閉合電路歐姆定律的理解和應(yīng)用的深化的目的。

1 為什么教材中的實驗電路采用圖1所示的電路設(shè)計進行實驗測量而不采用圖2所示的電路設(shè)計進行實驗測量？

教材中給的實驗電路圖是將電流表和滑動變阻器串聯(lián)之后與電壓表并聯(lián)再接在干電池兩端（如圖1所示）[1]，而不是將滑動變阻器與電壓表并聯(lián)之后與電流表串聯(lián)再接到干電池的兩端（如圖2所示）。在高考專題教學(xué)中如果只是把教材中的實驗電路（如圖1）呈現(xiàn)給學(xué)生，并只針對圖1的實驗電路進行實驗測量原理和實驗誤差的分析，沒有引導(dǎo)學(xué)生思考，為什么要按圖1而不按圖2的電路進行實驗？學(xué)生肯定弄不明白其中的原理。事實上，其根本原因是本實驗的目的不僅要測電源的電動勢，而且還要測電源的內(nèi)電阻，而干電池的內(nèi)阻比較小，按圖2電路進行實驗會造成測量的電源的內(nèi)電阻的系統(tǒng)誤差過大。如果測量的電源的內(nèi)阻很大，為了減少電源內(nèi)阻測量的系統(tǒng)誤差，應(yīng)選用圖2所示的電路進行實驗測量，例如“水果電池”內(nèi)阻就很大，理應(yīng)選擇圖2作為實驗測量電路。

2 圖1電路與圖2電路中的電流表，那種電路的接法是采用的是電流表“內(nèi)接”， 那種電路的接法是采用的是電流表“外接”

在此問題上會存在錯誤認識，會認為圖1的電流表是“內(nèi)接”圖2是電流表是“外接”，這顯然是弄錯了測量對象，錯把用來改變通過電源的電流和路端電壓的滑動變阻器當(dāng)作了測量研究的對象。而本實驗的測量的對象顯然是電源，因此恰好相反，圖1的電流表是“外接”圖2是電流表是“內(nèi)接”。

3 如何對本實驗測量電源電動勢和內(nèi)電阻系統(tǒng)誤差進行分析

方法1：圖象分析法[1]

采用圖1電路進行測量，其系統(tǒng)誤差是電壓表的分流引起的，要畫出“測量值”和“真實值”的圖線，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生取路端電壓相同的情況下，如果電壓表不分流（或把電壓表當(dāng)作理想電表，即電壓表內(nèi)阻無窮大），電流表的讀數(shù)（真實值）就應(yīng)大于測量值，通過多組U和I的值進行對比，就能畫出如圖3的“測量值”的U-I圖線（位于內(nèi)側(cè)）和“真實值”的U-I圖線（位于外側(cè)），測量值與真實值之間的誤差就一目了然了，即測量電源電動勢與內(nèi)電阻比真實值都偏小。而采用圖2電路進行測量，其系統(tǒng)誤差是電流表的分壓引起的，同理，如果電流表不分壓（或把電流表當(dāng)作理想電表，即電流表的內(nèi)阻為零），取相同電流的情況分析，電壓表讀數(shù)（真實值）就應(yīng)大于測量值，同樣可以畫出U-I圖象（如圖4所示），將測量值U-I圖線（位于內(nèi)側(cè)）和真實值U-I圖線（位于外側(cè)）進行比較，很容易得出所測的電源內(nèi)電阻偏大，而所測的電源電動勢等于真實值，即采用圖2所示的電路進行實驗測量的電源電動勢不存在系統(tǒng)誤差。

方法2：等效法

圖1所示電路測出的電源內(nèi)阻實際等效于電源實際內(nèi)阻r與電壓表內(nèi)阻RV并聯(lián)的總電阻（等效電路如圖5所示），根據(jù)并聯(lián)電路的總電阻阻值小于任何一個支路的電阻的阻值，很容易得出所測電源內(nèi)阻小于其真實值，而要求電流表示數(shù)為零時，通過電源的電流并不等于零（電源的內(nèi)電壓不為零），即電壓表的示數(shù)小于電源電動勢，顯然所測的電源電動勢小于其真實值。圖2所示電路的電源內(nèi)部等效于電流表RA與電源的內(nèi)阻r串聯(lián)（如圖6所示），即所測的電源的內(nèi)阻實際等效于電源內(nèi)阻r與電流表內(nèi)阻RA串聯(lián)的總電阻，根據(jù)串聯(lián)電路的總電阻大于任何一個串聯(lián)電阻的阻值，得出所測電源的內(nèi)阻阻值大于任何一個分電阻的阻值，顯然，所測電源的內(nèi)阻阻值大于其真實值。如果要求電流表示數(shù)為零，則通過電源的電流必為零（電源的內(nèi)電壓為零），顯然路端電壓就等于電源電動勢。也可以進一步引導(dǎo)學(xué)生思考和理解，教材中所測干電池的內(nèi)阻較小，若采用圖2電路，雖然所測電源電動勢不存在系統(tǒng)誤差，但所測干電池的內(nèi)阻誤差太大。因此，若所測電源的內(nèi)阻很大或?qū)嶒灉y量的目的只測電源的電動勢，顯然就采用圖2的電路圖進行實驗以減小實驗的系統(tǒng)誤差。

方法3：類比法分析法

引導(dǎo)學(xué)生把“伏安法”測電阻與測量的電源內(nèi)阻阻值進行類比誤差分析，具體的做法是把“伏安法”測電阻的電流表的“外接”（如圖7所示）與圖1測量電路類比，很容易得出采用圖1電路測量的電源的內(nèi)阻阻值偏小，而把“伏安法”測電阻的電流表“內(nèi)接”（如圖8所示）與圖2的測量電路類比，同樣很容易得出采用圖2電路測量的電源的內(nèi)阻阻值卻偏大[1]。

4 如何對本實驗進行適當(dāng)拓展，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力？

這里所說的實驗拓展就是在實驗條件改變的情況下，學(xué)生如何在理解和掌握實驗測量的原理和方法進行靈活“變通”。如實驗時提供的器材沒有電流表只有電壓表和電阻箱，就引導(dǎo)學(xué)生把圖1所示的測量電路拓展為如圖9所示的“伏阻法”，即將電阻箱與電壓表并聯(lián)后，接在電源的兩端，其實驗的原理與圖1的電路相同，所測的電源的內(nèi)阻和電動勢都偏小。若實驗時沒有電壓表只有電流表和電阻箱，可把圖2所示的測量電路拓展為如圖10所示的“安阻法”，即把電阻箱與電流表串聯(lián)后接到電源兩端，其實驗原理與圖2電路相同，所測的電源的內(nèi)阻偏大，而所測電源電動勢等于其真實值。又如實驗時提供的電壓表或電流表測量的量程不適當(dāng)，就可將電壓表或電流表按實驗要求進行改裝后再接入電路，其測量的基本原理沒有發(fā)生根本的改變，但這能很好地引導(dǎo)學(xué)生靈活掌握伏安法測量電源的電動勢和內(nèi)電阻的原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力[2]。

當(dāng)然，測量電源電動勢和內(nèi)電阻的實驗專題復(fù)習(xí)，不可能千篇一律，要根據(jù)學(xué)生的實際情況來設(shè)計復(fù)習(xí)專題教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用物理知識的能力，打造高效的專題復(fù)習(xí)課堂。

參考文獻：

[1]司南中學(xué)物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理（選修3-1）[M].濟南：山東科技出版社，2013.

[2]司南中學(xué)物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理（選修3-1）教師用書[M].濟南：山東科技出版社，2013.