《測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)電阻》的實(shí)驗(yàn)專題教學(xué)的探究

涂富根

摘 要：《測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)電阻》的實(shí)驗(yàn)，其測(cè)量的理論依據(jù)就是閉合電路歐姆定律。對(duì)本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的專題復(fù)習(xí)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和分析以培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用物理知識(shí)的能力，就要讓學(xué)生把握基本原理，領(lǐng)會(huì)萬(wàn)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(shí)驗(yàn)；專題；培養(yǎng)；能力；創(chuàng)新

《測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)電阻》的電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中物理學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)之一，本實(shí)驗(yàn)不僅是對(duì)閉合電路歐姆定律的理解和應(yīng)用的深化，而且能對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力及綜合應(yīng)用物理知識(shí)的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著重大而深遠(yuǎn)的意義。因而在教學(xué)時(shí)不僅要讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和強(qiáng)化學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)的原理的理解，而且要在教學(xué)中對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)拓展和延伸。特別是在高考電學(xué)專題實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)時(shí)更要抓住機(jī)遇進(jìn)行拓展和深化，以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入探究從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)。因此、筆者想通過在電學(xué)實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)時(shí)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)涉及的以下幾個(gè)問題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和探究以達(dá)到對(duì)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(shí)驗(yàn)電路采用圖1所示的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量而不采用圖2所示的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量？

教材中給的實(shí)驗(yàn)電路圖是將電流表和滑動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)電路（如圖1）呈現(xiàn)給學(xué)生，并只針對(duì)圖1的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)？學(xué)生肯定弄不明白其中的原理。事實(shí)上，其根本原因是本實(shí)驗(yàn)的目的不僅要測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)，而且還要測(cè)電源的內(nèi)電阻，而干電池的內(nèi)阻比較小，按圖2電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)造成測(cè)量的電源的內(nèi)電阻的系統(tǒng)誤差過大。如果測(cè)量的電源的內(nèi)阻很大，為了減少電源內(nèi)阻測(cè)量的系統(tǒng)誤差，應(yīng)選用圖2所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，例如“水果電池”內(nèi)阻就很大，理應(yīng)選擇圖2作為實(shí)驗(yàn)測(cè)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(huì)存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，會(huì)認(rèn)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(cuò)了測(cè)量對(duì)象，錯(cuò)把用來(lái)改變通過電源的電流和路端電壓的滑動(dòng)變阻器當(dāng)作了測(cè)量研究的對(duì)象。而本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量的對(duì)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(duì)本實(shí)驗(yàn)測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析

方法1：圖象分析法[1]

采用圖1電路進(jìn)行測(cè)量，其系統(tǒng)誤差是電壓表的分流引起的，要畫出“測(cè)量值”和“真實(shí)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(wú)窮大），電流表的讀數(shù)（真實(shí)值）就應(yīng)大于測(cè)量值，通過多組U和I的值進(jìn)行對(duì)比，就能畫出如圖3的“測(cè)量值”的U-I圖線（位于內(nèi)側(cè)）和“真實(shí)值”的U-I圖線（位于外側(cè)），測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差就一目了然了，即測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)電阻比真實(shí)值都偏小。而采用圖2電路進(jìn)行測(cè)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(shí)值）就應(yīng)大于測(cè)量值，同樣可以畫出U-I圖象（如圖4所示），將測(cè)量值U-I圖線（位于內(nèi)側(cè)）和真實(shí)值U-I圖線（位于外側(cè)）進(jìn)行比較，很容易得出所測(cè)的電源內(nèi)電阻偏大，而所測(cè)的電源電動(dòng)勢(shì)等于真實(shí)值，即采用圖2所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電源電動(dòng)勢(shì)不存在系統(tǒng)誤差。

方法2：等效法

圖1所示電路測(cè)出的電源內(nèi)阻實(shí)際等效于電源實(shí)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(gè)支路的電阻的阻值，很容易得出所測(cè)電源內(nèi)阻小于其真實(shí)值，而要求電流表示數(shù)為零時(shí)，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(dòng)勢(shì)，顯然所測(cè)的電源電動(dòng)勢(shì)小于其真實(shí)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(cè)的電源的內(nèi)阻實(shí)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(gè)串聯(lián)電阻的阻值，得出所測(cè)電源的內(nèi)阻阻值大于任何一個(gè)分電阻的阻值，顯然，所測(cè)電源的內(nèi)阻阻值大于其真實(shí)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(dòng)勢(shì)。也可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考和理解，教材中所測(cè)干電池的內(nèi)阻較小，若采用圖2電路，雖然所測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)不存在系統(tǒng)誤差，但所測(cè)干電池的內(nèi)阻誤差太大。因此，若所測(cè)電源的內(nèi)阻很大或?qū)嶒?yàn)測(cè)量的目的只測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)，顯然就采用圖2的電路圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以減小實(shí)驗(yàn)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(cè)電阻與測(cè)量的電源內(nèi)阻阻值進(jìn)行類比誤差分析，具體的做法是把“伏安法”測(cè)電阻的電流表的“外接”（如圖7所示）與圖1測(cè)量電路類比，很容易得出采用圖1電路測(cè)量的電源的內(nèi)阻阻值偏小，而把“伏安法”測(cè)電阻的電流表“內(nèi)接”（如圖8所示）與圖2的測(cè)量電路類比，同樣很容易得出采用圖2電路測(cè)量的電源的內(nèi)阻阻值卻偏大[1]。

4 如何對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)拓展就是在實(shí)驗(yàn)條件改變的情況下，學(xué)生如何在理解和掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)量的原理和方法進(jìn)行靈活“變通”。如實(shí)驗(yàn)時(shí)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(cè)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(shí)驗(yàn)的原理與圖1的電路相同，所測(cè)的電源的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)都偏小。若實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有電壓表只有電流表和電阻箱，可把圖2所示的測(cè)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(shí)驗(yàn)原理與圖2電路相同，所測(cè)的電源的內(nèi)阻偏大，而所測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)等于其真實(shí)值。又如實(shí)驗(yàn)時(shí)提供的電壓表或電流表測(cè)量的量程不適當(dāng)，就可將電壓表或電流表按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行改裝后再接入電路，其測(cè)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(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)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(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)，不可能千篇一律，要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)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(shí)的能力，打造高效的專題復(fù)習(xí)課堂。

參考文獻(xiàn)：

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