(陜西省西安市育才中學(xué)，陜西 西安 710061)

伏安法測電源的電動勢和內(nèi)阻的實驗是高考中的熱點，主要考查對該實驗原理的理解，涉及實驗步驟和誤差分析，即學(xué)會用各類圖象處理實驗數(shù)據(jù)，求出電源電動勢E和內(nèi)阻r，分析電表內(nèi)阻對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響.高考命題不僅局限于教材上的實驗項目，還關(guān)注方法的遷移，考查學(xué)生知識遷移的能力和創(chuàng)新思維能力，這從2014年全國新課標理綜Ⅰ卷第23實驗題可看出，雖然它屬于常規(guī)的用伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻，只是將學(xué)生常見的類型進行了改編，但增加了電流表內(nèi)阻這一易錯點，并且與數(shù)學(xué)相結(jié)合，增加了試題難度.以下系統(tǒng)介紹用伏安法測定電源電動勢和內(nèi)阻的方法.

1 伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻

(1)4種測量電路

從原理上看，測量電源的電動勢和內(nèi)阻有4種常見電路，如圖1所示，電路(1)、(2)中采用安培表、伏特表和滑動變阻器，電路(3)采用伏特表和電阻箱，電路(4)則采用安培表和電阻箱.

圖1

(2)3種計算關(guān)系

根據(jù)閉合電路歐姆定律，在電路(1)和(2)中，有E=U1+I1r，E=U2+I2r.

在電路(4)中，有E=I1(R1+r)，E=I2(R2+r).

利用每一種電路中的方程組，就可以求出電源的電動勢和內(nèi)阻.

(3)3種圖像關(guān)系

在實驗中我們常常利用圖像處理實驗結(jié)果，在電路(1)和(2)中利用閉合電路U—I圖線，可以求出電源電動勢和內(nèi)阻.

圖2

圖3

圖4

(4)2種系統(tǒng)誤差

在(2)和(4)電路中，電動勢和內(nèi)阻的測量值為E′=E，r′=RA+r>r，由于電流表內(nèi)阻相對電池內(nèi)阻不可忽略，為了減小實驗誤差，在利用伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻時，通常采用安培表內(nèi)接的電路.

(5)測電動勢的最簡方法

圖5

如果只需測電動勢，用一只內(nèi)阻足夠大、量程適當?shù)碾妷罕砑纯?，如圖5所示，將電壓表直接接在電源兩端，其示數(shù)就等于電動勢，即E=U.

(6)提高測量精確度和保護電源

圖6

在電源內(nèi)阻較小時(如一般蓄電池的內(nèi)阻r≈1Ω)，為了提高測量準確度和保護電源，可用一個定值電阻R0與電源串聯(lián)，如圖6所示.

圖7

2 試題分析

再回到2014新課標理綜Ⅰ卷第23題，原題如下：利用如圖7所示的電路可以測量電源的電動勢和內(nèi)阻，所用的實驗器材有：待測電源，電阻箱R(最大阻值999.9Ω)，電阻R0(阻值為3.0Ω)，電流表A○(量程為200mA,內(nèi)阻為RA=6.0Ω),開關(guān)S.

實驗步驟如下：

①將電阻箱阻值調(diào)到最大，閉合開關(guān)S；

②多次調(diào)節(jié)電阻箱，記下電流表的示數(shù)I和電阻箱相應(yīng)的阻值R；

④求出直線的斜率k和在縱坐標上的截距b.

從此題很容易看出就是對上面電路(4)的考查，唯一變化的就是增加了一個保護電阻和對內(nèi)阻已知的電流表進行了改裝.因此高考中的實驗題源于教材實驗中的原理、方法和器材，但萬變不離其宗，但它一直是學(xué)生“最熟悉的陌生人”.說其“熟悉”，因為這些題目都源于教材；說其“陌生”，因為這些題目又都高于教材，是對教材實驗的延伸、拓展和創(chuàng)新.這就要求我們在實驗復(fù)習(xí)中，應(yīng)側(cè)重理解實驗原理和設(shè)計思路，力求增加一些探索性實驗、設(shè)計性實驗，從教材實驗的設(shè)計思想角度向深層次進行挖掘與提升，同時還需再進實驗室，重溫實驗?zāi)康?、器材、原理、步驟，歸納實驗的研究方法和共同特點，進一步提高學(xué)生自主設(shè)計和完成實驗的能力.