“测定电池的电动势和内阻”的实验设计

何 兰

☆创新实验☆

“测定电池的电动势和内阻”的实验设计

何 兰

测定电池的电动势和内阻是电学实验中最重要的实验之一。高考说明中对这个实验的要求有所提高，即由原来“用电压表、电流表测量电源电动势和内阻”改为“测定电池的电动势和内阻”，实际上是要求学生会用多种方法测量，对这个实验的要求提高了。而在物理高考考纲中涉及与实验有关的能力要求有：①能独立完成“知识内容表”中所列的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论。能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题。②能够根据具体问题列出物理量之间的关系式，进行推导和求解，并根据结果得出物理结论，必要时能运用几何图形、函数图像进行表达、分析。近几年各地的高考对这个实验的考查是比较频繁的，而且多为通过闭合电路欧姆定律的变式来考查，力图通过考查设计性的实验来鉴别考生独立解决新问题的能力。因此，在实验教学中就需要充分挖掘出物理教材中实验的探索性因素，不断拓宽探索性实验设置的新路子，努力将已掌握的知识和规律创造性地运用到新的实验情景中去。

笔者在教学中尝试了以“实验原理”为切入点，在“实验设计”“器材选择”“数据处理”和“误差分析”上对实验进行多方位的探索性分析，让学生深入体会实验中各方面的内容和方法，并能在其他实验上举一反三，起到了不错的效果。现介绍如下：

首先，让学生观察原理式E=U+Ir中的物理量，此式中既有待测物理量—电源的电动势E和内阻r，又有可测物理量—U和I。

接下来引导学生分析：

(1)U，I代表的物理量的具体含意：U—电源的路端电压，I—流过电源的电流。这里尤其要提醒学生注意与部分电路欧姆定律中的“U，I”的含意(U—待测电阻两端的电压，I—流过待测电阻的电流)的区别。这也是学生容易把“测电源电动势和内阻”与“伏安法测电阻”这两个实验容易混淆的地方。

(2)实验中需要得到多组数据，这就需要改变电路中的电流，什么电学元件可以改变电路中的电流，学生很容易想到“滑动变阻器”。

到此为止，学生就很容易列出进行这个实验的“实验器材”—干电池一节，电压表一个，电流表一个，滑动变阻器一个，开关一个，导线若干。

在此基础上，再让设计实验用电路图，学生就可以很容易地画出两个电路图(如图1所示)。

2012-02-22

何兰，本科，中教一级。

北京市第三十五中学。

图1

接下来的任务就是利用误差分析来选择实验误差小的电路进行实验。误差分析是这个实验的难点，现在大多数的分析是根据电流表分压和电压表分流定性来分析，由于没有直观的数据且易和伏安法测电阻混淆，学生不太容易接受。笔者采用了数学表达式和图像相结合的实验数据处理方法，用数学表达式直观地表达出误差所在和误差大小，学生接受起来比较容易。

图2

而电路2的误差是由于电流表分压流引起的，在电路1的分析基础上，学生就比较容易做出误差分析。考虑误差后表达式变为E=U+IRA+Ir(RA代表电流表的内阻)，推出U=E-I(RA+r)。类比y=a-xb，在U-I图像中就可以得出纵轴(U轴)的截距为E，没有系统误差；图像斜率的绝对值为(RA+r)，测量值比真实值偏大。因为r与RA阻值相差不多，所以使用电路2做实验，电源的内阻r的测量值相对误差较大。

此时，再从两个实验电路的系统误差来比较，电1虽然电源电动势E和内阻r都有误差，但相对误差较小；电路2中E虽然没有系统误差，但r的相对误差很大。所以综合选择，在方法①中应选择电路1进行实验。

通过这个实验的整个分析过程，让学生初步认识实验的设计方法和误差分析方法，然后再让学生自主探究分析方法②③，最后得出实验电路的设计和误差分析。

1.方法②

(1)实验原理：E=IR+Ir。(2)实验电路(如图3所示)。

图3

图4

2.方法③

(2)实验电路(如图5所示)。

图5

图6

通过上面分析可知，只要选择合适的方法来引导启发学生，通过实验的设计和分析，学生不仅能够更深入地了解实验，而且在学习中锻炼了迁移知识的能力和创新思维能力。所以在物理实验教学中，更要重视实验原理和方法的迁移，学会用多种方法处理实验数据。要提高这些方面的能力，在平时教学过程中，就要多尝试对学生进行物理思想、方法和实验设计的教学，多尝试进行开放式教学，努力开发学生的潜在能力。