何 蘭

☆創(chuàng)新實驗☆

“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的實驗設(shè)計

何 蘭

測定電池的電動勢和內(nèi)阻是電學(xué)實驗中最重要的實驗之一。高考說明中對這個實驗的要求有所提高，即由原來“用電壓表、電流表測量電源電動勢和內(nèi)阻”改為“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”，實際上是要求學(xué)生會用多種方法測量，對這個實驗的要求提高了。而在物理高考考綱中涉及與實驗有關(guān)的能力要求有：①能獨立完成“知識內(nèi)容表”中所列的實驗，能明確實驗?zāi)康?，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現(xiàn)象，會記錄、處理實驗數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論。能靈活地運用已學(xué)過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題。②能夠根據(jù)具體問題列出物理量之間的關(guān)系式，進行推導(dǎo)和求解，并根據(jù)結(jié)果得出物理結(jié)論，必要時能運用幾何圖形、函數(shù)圖像進行表達、分析。近幾年各地的高考對這個實驗的考查是比較頻繁的，而且多為通過閉合電路歐姆定律的變式來考查，力圖通過考查設(shè)計性的實驗來鑒別考生獨立解決新問題的能力。因此，在實驗教學(xué)中就需要充分挖掘出物理教材中實驗的探索性因素，不斷拓寬探索性實驗設(shè)置的新路子，努力將已掌握的知識和規(guī)律創(chuàng)造性地運用到新的實驗情景中去。

筆者在教學(xué)中嘗試了以“實驗原理”為切入點，在“實驗設(shè)計”“器材選擇”“數(shù)據(jù)處理”和“誤差分析”上對實驗進行多方位的探索性分析，讓學(xué)生深入體會實驗中各方面的內(nèi)容和方法，并能在其他實驗上舉一反三，起到了不錯的效果。現(xiàn)介紹如下：

首先，讓學(xué)生觀察原理式E=U+Ir中的物理量，此式中既有待測物理量—電源的電動勢E和內(nèi)阻r，又有可測物理量—U和I。

接下來引導(dǎo)學(xué)生分析：

(1)U，I代表的物理量的具體含意：U—電源的路端電壓，I—流過電源的電流。這里尤其要提醒學(xué)生注意與部分電路歐姆定律中的“U，I”的含意(U—待測電阻兩端的電壓，I—流過待測電阻的電流)的區(qū)別。這也是學(xué)生容易把“測電源電動勢和內(nèi)阻”與“伏安法測電阻”這兩個實驗容易混淆的地方。

(2)實驗中需要得到多組數(shù)據(jù)，這就需要改變電路中的電流，什么電學(xué)元件可以改變電路中的電流，學(xué)生很容易想到“滑動變阻器”。

到此為止，學(xué)生就很容易列出進行這個實驗的“實驗器材”—干電池一節(jié)，電壓表一個，電流表一個，滑動變阻器一個，開關(guān)一個，導(dǎo)線若干。

在此基礎(chǔ)上，再讓設(shè)計實驗用電路圖，學(xué)生就可以很容易地畫出兩個電路圖(如圖1所示)。

2012-02-22

何蘭，本科，中教一級。

北京市第三十五中學(xué)。

圖1

接下來的任務(wù)就是利用誤差分析來選擇實驗誤差小的電路進行實驗。誤差分析是這個實驗的難點，現(xiàn)在大多數(shù)的分析是根據(jù)電流表分壓和電壓表分流定性來分析，由于沒有直觀的數(shù)據(jù)且易和伏安法測電阻混淆，學(xué)生不太容易接受。筆者采用了數(shù)學(xué)表達式和圖像相結(jié)合的實驗數(shù)據(jù)處理方法，用數(shù)學(xué)表達式直觀地表達出誤差所在和誤差大小，學(xué)生接受起來比較容易。

圖2

而電路2的誤差是由于電流表分壓流引起的，在電路1的分析基礎(chǔ)上，學(xué)生就比較容易做出誤差分析?？紤]誤差后表達式變?yōu)镋=U+IRA+Ir(RA代表電流表的內(nèi)阻)，推出U=E-I(RA+r)。類比y=a-xb，在U-I圖像中就可以得出縱軸(U軸)的截距為E，沒有系統(tǒng)誤差；圖像斜率的絕對值為(RA+r)，測量值比真實值偏大。因為r與RA阻值相差不多，所以使用電路2做實驗，電源的內(nèi)阻r的測量值相對誤差較大。

此時，再從兩個實驗電路的系統(tǒng)誤差來比較，電1雖然電源電動勢E和內(nèi)阻r都有誤差，但相對誤差較?。浑娐?中E雖然沒有系統(tǒng)誤差，但r的相對誤差很大。所以綜合選擇，在方法①中應(yīng)選擇電路1進行實驗。

通過這個實驗的整個分析過程，讓學(xué)生初步認識實驗的設(shè)計方法和誤差分析方法，然后再讓學(xué)生自主探究分析方法②③，最后得出實驗電路的設(shè)計和誤差分析。

1.方法②

(1)實驗原理：E=IR+Ir。(2)實驗電路(如圖3所示)。

圖3

圖4

2.方法③

(2)實驗電路(如圖5所示)。

圖5

圖6

通過上面分析可知，只要選擇合適的方法來引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生，通過實驗的設(shè)計和分析，學(xué)生不僅能夠更深入地了解實驗，而且在學(xué)習(xí)中鍛煉了遷移知識的能力和創(chuàng)新思維能力。所以在物理實驗教學(xué)中，更要重視實驗原理和方法的遷移，學(xué)會用多種方法處理實驗數(shù)據(jù)。要提高這些方面的能力，在平時教學(xué)過程中，就要多嘗試對學(xué)生進行物理思想、方法和實驗設(shè)計的教學(xué)，多嘗試進行開放式教學(xué)，努力開發(fā)學(xué)生的潛在能力。