何 蘭

☆創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)☆

“測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

何 蘭

測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻是電學(xué)實(shí)驗(yàn)中最重要的實(shí)驗(yàn)之一。高考說(shuō)明中對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的要求有所提高，即由原來(lái)“用電壓表、電流表測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”改為“測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”，實(shí)際上是要求學(xué)生會(huì)用多種方法測(cè)量，對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的要求提高了。而在物理高考考綱中涉及與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的能力要求有：①能獨(dú)立完成“知識(shí)內(nèi)容表”中所列的實(shí)驗(yàn)，能明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，能理解?shí)驗(yàn)原理和方法，能控制實(shí)驗(yàn)條件，會(huì)使用儀器，會(huì)觀(guān)察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論。能靈活地運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題。②能夠根據(jù)具體問(wèn)題列出物理量之間的關(guān)系式，進(jìn)行推導(dǎo)和求解，并根據(jù)結(jié)果得出物理結(jié)論，必要時(shí)能運(yùn)用幾何圖形、函數(shù)圖像進(jìn)行表達(dá)、分析。近幾年各地的高考對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的考查是比較頻繁的，而且多為通過(guò)閉合電路歐姆定律的變式來(lái)考查，力圖通過(guò)考查設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)來(lái)鑒別考生獨(dú)立解決新問(wèn)題的能力。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就需要充分挖掘出物理教材中實(shí)驗(yàn)的探索性因素，不斷拓寬探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)置的新路子，努力將已掌握的知識(shí)和規(guī)律創(chuàng)造性地運(yùn)用到新的實(shí)驗(yàn)情景中去。

筆者在教學(xué)中嘗試了以“實(shí)驗(yàn)原理”為切入點(diǎn)，在“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“器材選擇”“數(shù)據(jù)處理”和“誤差分析”上對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多方位的探索性分析，讓學(xué)生深入體會(huì)實(shí)驗(yàn)中各方面的內(nèi)容和方法，并能在其他實(shí)驗(yàn)上舉一反三，起到了不錯(cuò)的效果?，F(xiàn)介紹如下：

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

接下來(lái)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(guò)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(cè)電阻兩端的電壓，I—流過(guò)待測(cè)電阻的電流)的區(qū)別。這也是學(xué)生容易把“測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”與“伏安法測(cè)電阻”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)容易混淆的地方。

(2)實(shí)驗(yàn)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(dòng)變阻器”。

到此為止，學(xué)生就很容易列出進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)的“實(shí)驗(yàn)器材”—干電池一節(jié)，電壓表一個(gè)，電流表一個(gè)，滑動(dòng)變阻器一個(gè)，開(kāi)關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線(xiàn)若干。

在此基礎(chǔ)上，再讓設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用電路圖，學(xué)生就可以很容易地畫(huà)出兩個(gè)電路圖(如圖1所示)。

2012-02-22

何蘭，本科，中教一級(jí)。

北京市第三十五中學(xué)。

圖1

接下來(lái)的任務(wù)就是利用誤差分析來(lái)選擇實(shí)驗(yàn)誤差小的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。誤差分析是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，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(lái)分析，由于沒(méi)有直觀(guān)的數(shù)據(jù)且易和伏安法測(cè)電阻混淆，學(xué)生不太容易接受。筆者采用了數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，用數(shù)學(xué)表達(dá)式直觀(guān)地表達(dá)出誤差所在和誤差大小，學(xué)生接受起來(lái)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(dá)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(lèi)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(méi)有系統(tǒng)誤差；圖像斜率的絕對(duì)值為(RA+r)，測(cè)量值比真實(shí)值偏大。因?yàn)閞與RA阻值相差不多，所以使用電路2做實(shí)驗(yàn)，電源的內(nèi)阻r的測(cè)量值相對(duì)誤差較大。

此時(shí)，再?gòu)膬蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)電路的系統(tǒng)誤差來(lái)比較，電1雖然電源電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r都有誤差，但相對(duì)誤差較小；電路2中E雖然沒(méi)有系統(tǒng)誤差，但r的相對(duì)誤差很大。所以綜合選擇，在方法①中應(yīng)選擇電路1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)分析過(guò)程，讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)和誤差分析。

1.方法②

(1)實(shí)驗(yàn)原理：E=IR+Ir。(2)實(shí)驗(yàn)電路(如圖3所示)。

圖3

圖4

2.方法③

(2)實(shí)驗(yàn)電路(如圖5所示)。

圖5

圖6

通過(guò)上面分析可知，只要選擇合適的方法來(lái)引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和分析，學(xué)生不僅能夠更深入地了解實(shí)驗(yàn)，而且在學(xué)習(xí)中鍛煉了遷移知識(shí)的能力和創(chuàng)新思維能力。所以在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更要重視實(shí)驗(yàn)原理和方法的遷移，學(xué)會(huì)用多種方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。要提高這些方面的能力，在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中，就要多嘗試對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理思想、方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)，多嘗試進(jìn)行開(kāi)放式教學(xué)，努力開(kāi)發(fā)學(xué)生的潛在能力。