用数据分析的方法突破电学实验的难点

姚 勇

(中山市中山纪念中学,广东 中山 528454)

笔者在电学实验教学中发现,学生对电路的选择、滑动变阻器的选择、欧姆表的原理等方面存在着诸多的疑惑,究其原因,是这些问题往往是计算量过大、计算过程过于烦琐、计算结果不直观而带来的．为了解决这些问题,笔者尝试着引导学生在明确物理过程、理解物理原理的基础上,再应用Excel的计算功能和图表功能,制成散点图,增强了数据的直观性,实现了难点的突破．下面是笔者的几点探索,以期抛砖引玉．

1 伏安法测电阻的电路选择

图1 两种接法的相对误差散点图

从图1可以得到两点结论:一是n或m只要大于40时,系统误差可以控制在2.5%以内,这个误差与现行实验室中2.5级电表的满刻度误差相当,对于中学物理实验已经足够了．二是在n或m都满足大于40的情况下,当n>m时采用电流表内接,当n≤m时采用电流表外接．

2 滑动变阻器的选择

电路中引进滑动变阻器主要作用是能够进行多次测量,以观测到多个有效的值．下面分别讨论限流作用的滑动变阻器和分压作用的滑动变阻器的选择．

(1) 限流作用的滑动变阻器选择.

图2

图3 不同的n、m下电阻R中电流散点图

纵轴I的1个单位为E/R,通常情况下是在电流表的满偏电流附近,下同．

从两个方面来考查滑动变阻器是否合适:一是电流表指针偏转的幅度要大,从图3来看,n越大其变化范围越大,如果以电流变化幅度在0.5以上为宜,那么,在n≥1时,其电流的变化范围超过0.5,可认为变化范围合适;二是散点图是否呈线性,如果线性良好,则滑动过程中每个步长的电流变化都显著,操作方便．从图3来看,在n<2时,线性良好,是合适的;在n=5时,线性关系已不明显,只能勉强可用．所以,滑动变阻器接成限流电路时,如果从上述两点来考虑,R0满足的条件是[R,5R)．

(2) 分压作用的滑动变阻器选择.

图4

图5 不同的n、m下电阻R中电流散点图

表1 流过滑动变阻器最大电流值

考虑到这个实际情况,n>0.2是比较合适的．所以,滑动变阻器接成分压电路时,如果从上述两点来考虑,R0满足的条件是[0.2R,3R)．

有了上面两点的基本分析,再考虑题目中的具体要求或条件,就可以正确地选用滑动变阻器了;反之,也可以通过已知的滑动变阻器来正确地选择实验电路．

3 伏安法测电源电动势和内电阻的电路选择

伏安法测电源电动势和内电阻的原理是测出电源的路端电压U和流过电源的电流I,利用公式U=E-Ir或作图法求出电源的电动势E和内电阻r．有两种电路可供选择,问题是无论是选择哪种电路,都不可能同时准确测其路端电压U或流过电源的电流I．在电流表内接中,由于电压表的内电阻RV不是无限大,而使得电流表的读数不是流过电源的电流,在电流表外接中,由于电流表的内电阻rA不是零,而使得电压表的读数不是电源的路端电压．下面就两种电路造成的系统误差做一分析．

4 欧姆表测量误差及范围

图6 欧姆表在不同n值下的相对误差

以现行实验室中多用电表的欧姆表为例,它的中值为15,4个选择量程分别为×1、×10、×100、×1k,它的测量范围是[3.8 Ω,60 kΩ),基本满足测量的需求,至于这个范围之外的电阻测量是无法保证其误差范围．