高中物理電學實驗《測量電源電動勢和內阻》的基本方法及誤差分析

何妹才

《測量電源電動勢和內阻實驗》是高中物理重要實驗之一，也是高考的熱門考點。與近年來的高考試題相比，該實驗的測試點主要體現在實驗原理和圖像處理上。它對學生的實驗誤差分析和數據處理能力、知識遷移和創新思維能力有較高的要求，注重培養學生的物理核心素養。這個實驗的難點在于電路選擇和誤差分析，因此本文首先從基本伏安法入手，運用三種常用方法進行誤差分析，然后比較和擴展伏安法的四種變式及其誤差，找到共同點，更好地指導實驗教學。

一、伏安法測量電源電動勢和內阻的內外接法

1.電路分析

伏安法測量電源電動勢和內阻有兩種方法，分別是電流表外接法（如圖1所示）和電流表內接法（如圖2所示）。與《伏安法測電阻》實驗不同的是，本實驗的內外接法不是以電流表和待測電阻的連接方法為判斷依據，而是以電流表和電源的連接方法為判斷依據，因為在本實驗中的待測電阻實為電源的內阻，這也是學生較為疑惑之處。

2.誤差分析

根據閉合電路歐姆定律E=U+Ir，此處的U應為路端電壓和I為相應的干路電流，本實驗使用的是實際電表，由于電表內阻的存在，不可避免地存在實驗誤差。若采取圖1的電流表外接法，由于電壓表分流，電流表所測電流小于其干路電流;若采取圖2的電流表內接法，由于電流表分壓，電壓表所測電壓小于路端電壓。這兩種方法各有利弊，那么哪種方法比較合適，在實踐中應該如何選擇？為了解決這個問題，我們必須先從這兩種方法產生的實驗誤差開始，然后結合實際電路作出正確的選擇。

針對伏安法的這兩種接法的誤差分析，常用方法有三種，分別是圖像分析法、公式分析法、等效電源法（詳見表1所示）。

3.電路選擇建議

通過表1的比較可以看出，采用電流表外接方式時，電壓表的內阻RV遠大于外電阻R，以減少電壓表分流帶來的誤差。當電流表內部連接時，電流表的內阻RA應比電源的內阻R小得多，以減少電流表分壓引起的誤差。在多數情況下，電源的內阻r一般較小，而電流表的內阻RA通常比電源的內阻大，若使用電流表內接法會有較大誤差，故通常使用電流表外接法，但是對于內阻比較大的特殊電池，則要采用電流表內接法。在伏安法的內外接法中，可以用變阻箱來替代滑動變阻器，對實驗誤差無影響。

二、測量電源電動勢和內阻實驗變式——伏阻法和安阻法

1.電路分析

伏阻法和安阻法，實際上是伏安法的一種變式，它們電路的共同特點是一個電表和變阻箱的組合。這兩種方法要利用變阻箱，間接地測量出電流（或電壓），同時還利用它改變電路的電壓（或電流）值進行多次測量，故此處不可使用滑動變阻器替代變阻箱。

2.誤差分析

誤差分析如表2所示。

四、教學策略指導

近年的全國高考物理電學實驗題，往往考查的是學生對物理實驗原理、實驗方法的遷移創新能力。伏阻法、安阻法、伏伏法、安安法其實就是伏安法的變式，實驗原理和誤差分析方法也是類似的，因此教師在物理實驗教學過程中，要引導學生多在遷移變化上下功夫，重視實驗原理和方法的遷移，使其能夠靈活運用所學實驗原理和實驗方法解決問題，達到舉一反三的目的，有效地培養學生的創新實踐能力。此外，要加強對學生讀圖能力的培養，正確理解圖像的物理意義，根據不同的電路結構靈活改變物理量的函數關系，巧用圖像解決相關物理量。

責任編輯 羅 峰