關注電表內阻 翻轉電學實驗
2016-02-24 02:30:19徐平
物理之友 2016年1期
徐 平
(江蘇省海安縣南莫中學，江蘇 海安 226681)
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關注電表內阻翻轉電學實驗
徐平
(江蘇省海安縣南莫中學，江蘇海安226681)
摘要：在用伏安法測電阻、測定電源的內阻等實驗中，判斷電流表的內外接是關鍵步驟.習慣思維是比較待測電阻與電表的內阻關系，當時用電流表外接法，時用電流表內接法，當時用內外接法均可.不少師生常常忽視這種判斷方法的前提是只知電表內阻的大約值，如果已知電表內阻的準確值，不理解實驗原理一味套用結論將會出錯，關注電表內阻的給定情況顯得尤為重要.
關鍵詞：伏安法測電阻；測定電源的內阻；電表內阻
“伏安法測電阻”和“測電源電動勢與內阻”實驗中都要使用到電流表和電壓表，但由于實際的電流表和電壓表都存在著一定的電阻，使得測量存在著系統誤差.有時為了研究問題的方便，假設電表為理想電表，有時只是給出電表內阻的大約值，有時又給出它的確定值，這就給電學實驗帶來了不小的變化，稍不注意就導致錯誤.本文就此做一些歸納分析，以供參考.
1伏安法測電阻的常規測量與精確測量
1.1對比分析
對該實驗的常規測量和精確測量情況的分析如下表.
比較常規測量精確測量電阻滿足的條件Rx
1.2典型例題
例1：半導體材料受到外力后，其電阻率發生變化的現象稱為“壓阻效應”.如圖1所示，研究半導體長薄板電阻Rx的壓阻效應，已知Rx的阻值變化范圍為幾歐到幾十歐，實驗室中有下列器材：
圖1
A. 電源(3V，內阻約為1Ω)
B. 電流表(0—0.6A，內阻RA=5Ω)
C. 電壓表(0—3V，內阻RV約為3kΩ)
D. 滑動變阻器R0
E. 開關S，導線若干
(1) 設計準確測量電阻Rx電路，在圖1所示虛線框內補全電路原理圖.
(2) 在圖1電路中，在水平放置的半導體長薄板電阻Rx上加一個豎直向下的力F(設豎直向下為正方向)，閉合開關S，記下電流表的讀數I，電壓表的讀數U，圖1電路測量電阻的表達式為Rx=.(用字母表示)
圖2
圖3
點評：伏安法測電阻是電學最基本的核心實驗，關于電流表的接法，相當一部分學生死記存在系統誤差的實驗方法，不能根據題設的具體條件，從最基本的歐姆定律原理著手分析.其原因之一是實驗的遷移能力缺失；原因之二是沒有認真審題.本題中電流表內阻為5Ω，不是大約值，(1)中要求設計準確測量電阻Rx電路，隱含設計消除了系統誤差的電路，考查學生從減小誤差的慣性思維翻轉到消除系統誤差的思維能力.如果平時就建立起這種意識，正確求解就顯得十分輕松.
2電源電動勢與內電阻的常規測量和精確測量
2.1對比分析
電源電動勢與內電阻的常規測量和精確測量的分析如下表，其出發點是閉合電路歐姆定律E=U+IR，其中U為路端電壓，I為電路的總電流(或通過電源的電流)，選用的測量電路及拓展都是圍繞它展開的.
比較常規測量精確測量電源內阻范圍r<
2.2典型例題
例2：在測量一節干電池電動勢E和內阻r的實驗中，小明設計了如圖4所示的實驗電路．
圖4
(1) 根據圖4實驗電路，請在圖5中用筆畫線代替導線，完成實物電路的連接．
圖5
(2) 實驗開始前，應先將滑動變阻器的滑片P調到(選填a或b)端．
(3) 合上開關S1，S2接圖4中的1位置，改變滑動變阻器的阻值，記錄下幾組電壓表示數和對應的電流表示數；S2改接圖4中的2位置，改變滑動變阻器的阻值，再記錄下幾組電壓表示數和對應的電流表示數．
在同一坐標系內分別描點作出電壓表示數U和對應的電流表示數I的圖像，如圖6所示，兩直線與縱軸的截距分別為UA、UB，與橫軸的截距分別為IA、IB．
圖6
① S2接1位置時，作出的U-I圖線是圖6中的(選填“A”或“B”)線；測出的電池電動勢E和內阻r存在系統誤差，原因是．
② 由圖6可知，干電池電動勢和內阻的真實值分別為E真=，r真=
解析：(1) 將圖5中單刀雙擲開關的接線柱至左向右依次標上1、2、3序號，對照電路分別從1、2、3出發分三路補全實物電路如圖7；
圖7
(2) 實驗開始前，應先將滑動變阻器的滑片P調到電阻最大位置(即a端)，使得電路中的電流最小；
點評：本題中沒有給出電流表和電壓表的內阻的準確值，必須考慮電流表和電壓表的內阻對測量電動勢和內電阻的影響.根據閉合電路歐姆定律，結合圖像準確理解電源電動勢和短路電流的含義是求解的關鍵.
參考文獻：
[1] 徐平.由實驗性高考題引發的思考〔J〕.物理教師,2014，(9).
[2] 張惠作.淺議高中物理實驗教學的新病癥〔J〕.物理教學,2013，(10).
·試題研究·
