陸小軍

摘要高中物理教材閉合電路歐姆定律的應(yīng)用中安排了用伏安法測量未知電阻的阻值的實驗。這個實驗涉及的知識面廣,實驗技能要求高,學(xué)生在實驗中常常會在遇到這樣或那樣的問題,本文就教學(xué)中筆者遇到的問題談一下自己的教學(xué)心得。

關(guān)鍵詞伏安法測電阻 實驗

中圖分類號:G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

高中物理教材閉合電路歐姆定律的應(yīng)用中安排了這樣一個學(xué)生實驗:伏安法測量未知電阻的阻值。這個實驗涉及的知識面廣,實驗技能要求高,學(xué)生在實驗中常常會在遇到這樣或那樣的問題,如果我們不能在事先有所準(zhǔn)備,就會在課堂上無所適從。在這個實驗教學(xué)中筆者就遇到這樣一些問題。

首先是實驗方法。我們測量電阻沒有用萬用電表直接測量,而是用電流表與電壓表分別測出電阻兩端的電壓與電流,然后用歐姆定律算出該導(dǎo)體的電阻值的方法。其實這種方法我們以前也用過,如測量物質(zhì)的密度,我們只要測出該物質(zhì)的質(zhì)量和體積,用密度公式就能算出物質(zhì)的密度;測量固體對水平地面的壓強,只要測出固體的重力和固體與地面之間的受力面積就可以了。不少學(xué)生到實驗室不知道測量什么,為什么要這么做,這些都是由于不少學(xué)生沒有把握好實驗方法的結(jié)果。

其次是實驗器材的選擇。在實驗桌上放著一些器材,有的用得到,有的用不到,在不加說明的情況下,學(xué)生們拿起來就用,什么器材都要接上去,也不考慮實驗操作的規(guī)程,這樣會損壞實驗器材。鑒于此,我們在實驗前必須告知學(xué)生要有選擇地使用實驗器材,電源電壓應(yīng)選多大的,太大了易損壞器材,而太小了實驗的效果不明顯,實驗中要不要滑動變阻器,滑動變阻器要選什么規(guī)格的,同樣存在選擇不當(dāng)不能起到應(yīng)有的作用。

第三是在接線中的問題。讓學(xué)生接線時大多數(shù)情況下學(xué)生能夠正確接線。在未加說明時,學(xué)生有兩種接線的方法:一是電壓表接在電阻R的左右兩端,就是我們書上所畫的電路圖那樣接線的;另一種是電壓表接在R與電流表的兩端。這兩種接線方法去測量同一電阻它的電阻值卻不同。學(xué)生是不可能知道問題究竟出在哪的。而我們知道,這兩種方法都不能準(zhǔn)確地測量出未知電阻的阻值。我們這里能用這樣的方法來測量電阻值,完全是由于我們是把電流表的電阻看成是零歐,即電流表沒有電阻,電壓表的電阻看成是無限大。而事實上電壓表的電阻也不是無窮大,有的只有幾千歐到幾十千歐,電流表的電阻也不為零,小的也有零點幾歐。學(xué)生測量出的同一定值電阻的阻值,用以上的兩種不同方法測量出的結(jié)果不一樣也是正常的。這是由實驗方法所決定的,物理上把它叫做系統(tǒng)誤差。

前一種方法叫外接法。就是電流表接在外邊,測出的電阻值比電阻的真實值要小。此時電壓表與R兩端的電壓相等,但電壓表的電阻不為無窮大,它就具有分流作用,使得電流表的示數(shù)大于流過電阻R的電流,用兩者的和代替其中的一個故電流偏大,由歐姆定律R=U/I算出的電阻值就會偏小。如果電壓表的電阻值比所測量的電阻阻值大得多,這時電壓表的分流很小時,用這種方法誤差就比較小。

后一種方法叫做內(nèi)接法。就是電流表接在電壓表的里邊,用這種方法測得值要大于該電阻的真實值。此時電流表的示數(shù)與通過R中的電流相等,但由于電流表的內(nèi)阻并不為零,因而電流表就具有分壓作用,使電壓表的示數(shù)大于R兩端的電壓,用兩者的和代替其中的一個故電壓偏大,由歐姆定律R=U/I算出的電阻也就大于該電阻的真實值。但如果電流表的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所測量的電阻值,這時電流表的分壓很小時,用這種方法誤差就比較小。

學(xué)生在實驗中遇到這樣的情況是很正常的,我們要正確地引導(dǎo)。當(dāng)然在這個實驗中我們事先不知道待測電阻的大小,也不知道電流表與電壓表的電阻的大小。為了快速、準(zhǔn)確地確定用哪一種方法比較好,我們可以按以下的步驟進(jìn)行操作:將待測電阻與電流表串聯(lián),電壓表的左端固定在電阻R的左端,將電壓表的另一端先后接觸電阻的右端和電流表的右端,比較兩次接觸中電表的示數(shù)的變化情況:如果電壓表的示數(shù)變化顯著,說明電流表的電阻比較大,此時電流表的分壓作用明顯,應(yīng)當(dāng)使用外接法,使測出的電壓值為電阻兩端的電壓值,這時誤差較小;如果電流表的示數(shù)變化明顯,說明電壓表的電阻不夠大,此時電壓表的分流作用明顯,應(yīng)當(dāng)使用內(nèi)接法,使測得的電流值為通過電阻的電流值,這時誤差較小。

第四是對教材中安排的兩個實驗理解不夠。同樣是測量電阻值,為什么一個測量三次的目的可以取平均減小實驗的誤差,而另一個導(dǎo)體的電阻值卻是可變的?

教材中安排了這樣的兩個實驗的目的是在加深學(xué)生對歐姆定律的理解的同時,使學(xué)生對所測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的思考,從而從不同方面加深對電阻概念的理解,對于學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和能力的培養(yǎng)有不同的作用。

這兩個實驗有許多相同之處,但也有許多不同之處。實驗的原理都是R=U/I;實驗所用到的器材是基本相同(定值電阻與小燈泡不同);實驗電路基本相同,在連接電路時的需要注意的事項相同,必須注意的是:連接電路時開關(guān)要斷開;在閉合開關(guān)前將滑動變阻器的阻值調(diào)到最大。而且滑動變阻器的作用也是相同的,都是改變燈泡或定值電阻兩端的電壓和保護電路,同時在它們兩端的電壓改變時,導(dǎo)體中的電流也跟著改變。實驗中的故障原因相同。如電路中電壓表有示數(shù)而電流表的示數(shù)幾乎為零,都是由于電阻或燈泡出現(xiàn)了開路。

在這兩個實驗中也存在著許多不同之處,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:實驗中操作不同。在測量小燈泡電阻的實驗中,測量時要求接通電源后通過調(diào)節(jié)滑動變阻器把電壓調(diào)到燈泡的額定電壓,測量從該電壓開始逐次降低,獲得幾組數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了避免小燈泡兩端的電壓過高,燒壞小燈泡,而在測量定值電阻的阻值的實驗中則沒有這個要求;記錄實驗數(shù)據(jù)的表格不同。小燈泡燈絲的電阻隨著它兩端的電壓的變化而變化,不是一個固定的值,所以在設(shè)計表格時,沒有必要設(shè)計求平均值這一欄,而是加上燈泡的亮度一欄。由于定值電阻是采用對電流阻礙作用受溫度影響小的材料制作的,因此,當(dāng)定值電阻兩端的電壓發(fā)生變化時,定值電阻的阻值變化很小,可以忽略不計。為了減小實驗誤差,在實驗中采用了多次測量取平均值作為待測電阻的阻值,來減小實驗誤差;I—U圖像不同。對數(shù)據(jù)的分析和處理,可以采用物理中常用的圖像法進(jìn)行分析,定值電阻的I—U圖像是一個正比例函數(shù),是一條經(jīng)過原點的直線,學(xué)生據(jù)此可以得出定值電阻的阻值是不變的。而小燈泡的電阻則隨電壓的變化而變化,因此它的I—U圖像就不是一條直線。

在實驗教學(xué)中不管遇到什么問題,我們不能牽強附會,搪塞了事,而應(yīng)實事求是,正確面對,理性分析,科學(xué)的東西來不得半點虛假,這樣做有助于培養(yǎng)學(xué)生對待科學(xué)的實事求是的態(tài)度。