全面剖析測電池電動勢和內(nèi)阻實驗的“四法五圖”

安徽 徐建強

(作者單位：北京師范大學(xué)蚌埠附屬學(xué)校)

一、對比剖析教材實驗方案

表1

續(xù)表

二、?？键c和易錯點分析

(1)可選用舊電池。為了使電路的路端電壓變化明顯，電池的內(nèi)阻宜大些，可選用已使用過一段時間的干電池，或者將一個定值電阻R(該電阻也可起到保護電路儀器的作用)與電源串聯(lián)，求解等效內(nèi)阻后再求解電源內(nèi)阻。這是一個常考點，如2021年天津卷考題。

(2)儀器選擇。根據(jù)電動勢的大小選擇電壓表的量程，根據(jù)電動勢和內(nèi)阻的估值確定電流表的量程和滑動變阻器的最大阻值。這也是一個?？键c，如2021年天津卷考題。

(3)電路圖設(shè)計和實物圖連接。實驗原理為閉合電路歐姆定律，故滑動變阻器采用限流式接法，在解題時首先要明確基本電路圖，再根據(jù)所給器材在基本電路圖中進行改裝設(shè)計，這是學(xué)生需掌握的基本技巧；在實物圖連接中注意把導(dǎo)線畫到接線柱上。這是一個易錯點，如2020年山東卷考題。

圖1

(5)誤差分析。近幾年高考中的實驗題開始注重考查誤差分析，尤其是考查學(xué)生分析誤差來源和計算誤差大小。這也是一個易考點，如2021年全國乙卷考題。

三、創(chuàng)新實驗的考查

通過電路結(jié)構(gòu)變化和電表的改裝，該實驗可以考查一些創(chuàng)新實驗，如2021年乙卷第23題是伏阻法中電路結(jié)構(gòu)變化的創(chuàng)新；2021年湖南卷第12題是安阻法借助圓形電阻絲代替滑動變阻器的創(chuàng)新等。針對這些創(chuàng)新，只要緊盯閉合電路歐姆定律的原理，寫出對應(yīng)表達式，即可解答試題；而安安法也已經(jīng)成為備考中的一種必備方法，具體考點如表 2所示。

表2

【解題技巧】采用安安法的實驗方案可以利用圖像法處理數(shù)據(jù)，根據(jù)電表改裝原理，縱坐標直接改為對應(yīng)電壓，利用伏安法圖像的斜率和截距求解電動勢和內(nèi)阻。

四、典例剖析

【例1】(2021·全國乙卷·23)一實驗小組利用圖2所示的電路測量一電池的電動勢E(約1.5 V)和內(nèi)阻r(小于2 Ω)。圖2中電壓表量程為1 V，內(nèi)阻RV=380.0 Ω；定值電阻R0=20.0 Ω；電阻箱R，最大阻值為999.9 Ω；S為開關(guān)。按電路圖連接電路。完成下列填空：

圖2

(1)為保護電壓表，閉合開關(guān)前，電阻箱接入電路的電阻值可以選________(填“5.0”或“15.0”)Ω；

(2)閉合開關(guān)，多次調(diào)節(jié)電阻箱，記錄下阻值R和電壓表的相應(yīng)讀數(shù)U；

圖3

(5)通過圖3可得E=________V(保留2位小數(shù))，r=________Ω(保留1位小數(shù))；

【點悟】在解決電學(xué)實驗問題時，可以總結(jié)為三步分析法：

1.分析實驗?zāi)康?，確定實驗原理并設(shè)計電路圖。該題沒有考查電路圖的設(shè)計，只涉及了儀器的選擇。

3.誤差分析。在分析誤差來源時，關(guān)鍵要明確實驗原理中的物理量和測量物理量的差別，如果該題沒有考慮電壓表的分流，會導(dǎo)致計算內(nèi)電壓時代入的干路電流偏小從而引起誤差。在具體求解時，首先從原理角度出發(fā)進行理論推導(dǎo)，若從圖像數(shù)據(jù)求解會使計算結(jié)果不準確。解答這類問題要對伏安法測電動勢和內(nèi)阻實驗有一定的知識儲備，因為對誤差分析方面的考查主要是結(jié)論識記?？傮w而言，該題的設(shè)計凸顯實驗具體操作的考查，注重科學(xué)探究素養(yǎng)的呈現(xiàn)，是一道有難度的試題。

【例2】(2021·浙江省1月選考·18)(1)在“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”實驗中：①用如圖4所示的電路圖測量，得到的一條實驗數(shù)據(jù)擬合線如圖5所示，則該電池的電動勢E=________V(保留三位有效數(shù)字)；內(nèi)阻r=________Ω(保留兩位有效數(shù)字)。

圖4

圖5

②現(xiàn)有如圖6所示的實驗器材，照片中電阻箱阻值可調(diào)范圍為0～9 999 Ω，滑動變阻器阻值變化范圍為0～10 Ω，電流表G的量程為0～3 mA、內(nèi)阻為200 Ω，電壓表的量程有0～3 V和0～15 V。請在圖6中選擇合適的器材，畫出兩種測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻的電路圖。

圖6

圖7

圖8

圖9

【點悟】該題第1問，注重考查基礎(chǔ)實驗的細節(jié)，強化圖像法求解數(shù)據(jù)時縱坐標的起點問題以及圖線選點求斜率和截距，雖然難度不大但容易出錯，平時應(yīng)注重練習才能提升能力；再是考查有效數(shù)字問題，注意區(qū)分有效數(shù)字與保留幾位小數(shù)的不同點，這是廣大考生最易出錯的一點，備考中一定多加注意。第2問，選擇儀器、設(shè)計電路圖是一個難點，解答好這類問題一定要熟悉基本電路原理圖，然后根據(jù)所給儀器的特點變化電路結(jié)構(gòu)，這是一個基本流程。

【例3】某實驗小組用電阻箱、電壓表測量電源的電動勢和內(nèi)阻，所測電源的電動勢E約為6 V，內(nèi)阻r為25～35 Ω，允許通過的最大電流為50 mA。所用電路如圖10所示，圖中電阻箱R的阻值范圍為0～999.9 Ω。

圖10

(1)電路中R0為保護電阻。實驗室中備有以下幾種規(guī)格的定值電阻，本實驗中應(yīng)選用________。

A.20 Ω，125 mA B.50 Ω，20 mA

C.100 Ω，60 mA D.1 000 Ω，5 mA

(3)以下選項中的圖線①是由測量值作出的圖線，則由真實值作出的圖線②符合要求的選項是________。

A

B

C

D

【點悟】該模擬題依托基本的伏阻法方案，通過創(chuàng)新電路考查儀器選擇、數(shù)據(jù)處理和實驗誤差。在第二問中注重依據(jù)原理推導(dǎo)表達式，考查學(xué)生的計算能力，結(jié)合2021年的高考試題不難發(fā)現(xiàn)，這是一個命題熱點，應(yīng)引起教師和學(xué)生的注意，備考中將其作為重點復(fù)習內(nèi)容。第三問是一個創(chuàng)新的考查，難度較大，考生不易理解，原因是備考中較少涉及，解析中提供的是參考答案的方法，若在考試中采用，解題效率不高，而采用本文中對比剖析教材實驗方案中提供的分析誤差來源法，效率明顯提高；針對這一問的設(shè)計，2022屆的備考學(xué)生應(yīng)有所警覺，即針對核心知識點一定要分析透徹，不留死角。

五、總結(jié)

通過以上原理和考題的呈現(xiàn)方式對比分析可知，高考試題突出考查學(xué)生核心素養(yǎng)下的科學(xué)探究素養(yǎng)，在備考中學(xué)生一定要緊抓原理的理解、掌握基礎(chǔ)實驗中涉及具體操作的細節(jié)問題，而針對創(chuàng)新實驗的處理技巧應(yīng)通過審題判斷創(chuàng)新點是結(jié)構(gòu)問題還是其他等方面問題，然后依據(jù)基本原理解答。