利用数字化实验探究“伏安法测电阻的内外接法”

王刚 郭伟

摘要：伏安法测电阻的基本思想是部分电路欧姆定律的应用，在测量中由于要考虑电表内阻对测量结果的影响，就会涉及电流表内接和外界的问题，如何在实际测量时选择合适的测量方法。通过GQY数字实验平台在传统的实验基础上，应用传感器采集数据，记录数据的变化趋势，从而使学生深刻理解伏安法内外接产生误差的原因和实验方法选择的条件。

关键词： GQY数字实验平台;控制变量法;伏安法测电阻

“从接受性的学习转变为探究性学习，改变单一的个体学习方式，倡导独立自主与合作交流相结合的学习方式”这是课程改革的要点之一。数字化实验系统为学生学习方式的转变创造了条件。丰富的传感器可以增强学生的实践体验;信息化的实验手段可以拓展学生探究日常生活中物理现象的能力，从而能激发学生探究的欲望;强大的数据处理能力和开放的平台有利于学生通过努力发现问题寻找规律，有利于学生将信息科技所学的知识引入到物理学科的学习中。笔者以《伏安法测电阻》为例，详细介绍了内接外接的误差分析，充分展现了数字化实验的高效性，准确性。

伏安法测电阻电路可以分为两部分：控制电路和测量电路。控制电路主要由开关和滑动变阻器组成，测量电路主要由被测元件和电流表、电压表组成。设计型电学实验就是根据实验目的合理的设计控制电路和测量电路。

一、电流表、电压表在电学量测量中的应用

电学量的测量一般离不开电流表和电压表的使用，由于电表有内阻，在接入电路中一定会对电路产生影响，下表对电流表内接和外接两种测量方法对测量值的影响进行了对比。

从比较的的结果可以看出，无论用那种方法都会产生系统误差，如何减小实验误差是我们选择电流表内接和外接的关键;怎样选择伏安法的内接和外接？

二、数字化实验系统探究伏安法测电阻的内外接法

【实验器材】电阻两个（一个是20Ω、另一个是200Ω，作为标准电阻，如图1），J0407电流表一个，J0408电压表一个，滑动变阻器一个（50Ω），学生電源一台，电流传感器一个，电压传感器一个，数据采集器及计算机（如图2）。

【实验电路】（如图3、图4）

【实验操作】

1.按实验电图连接好电路，正确选择电表量程。

2.点击电脑桌面“单机运行平台”，进入GQY-elab系统，用鼠标点击界面中的“打开文件”按钮，选择桌面中“伏安法测电阻”文件夹中的“伏安法测电阻.XMLP”的模板文件进入操作界面。（如图5）

3.在实验操作界面中，点击“设备连接”，查找传感器，设备连接正常，可以开始实验。（如图6、如图7）

4.测量20Ω标准电阻时电源选择4V输出，测量200Ω标准电阻时电源选择10V输出。

5.单击实验操作界面中的“ON”按钮，开始实验，移动滑动变阻器采集实验数据。（图8）单击“OFF”结束数据采集，利用GQY-elab系统分析数据，比较测量20Ω采用内接外接和测量200Ω采用内接外接的数据，进行误差分析，进而得出结论。

三、数字化实验与传统实验的实验数据对比

以上实验是我们把数字化实验和传统实验相结合，利用数字化实验中的电学传感器和传统实验中的电流表、电压表同时测量电路中的电学量。完成实验后，把两种测量手段得到的实验数据进行分析。

1.数字化实验测量结果

实验中通过数字采集器把电学传感器测量的电学量传输到计算机中，通过分析软件根据教学要求对实验数据进行各种分析与处理。本实验通过表格和图像表现实验数据，图像中横轴表示电流，纵轴表示电压，对实验数据进行拟合，得到电阻的U-I曲线，其中图线的斜率Y，代表电阻，其拟合后的数据在图中已表示。测量结果如下（如图9，图10）：

2.与传统实验测量结果比较（见下表）

我们把数字化实验与传统实验的实验数据进行对比，可以看出使用了电流传感器和电压传感器，测量出的实验结果更接近标准电阻的真实值;两种测量方式皆显示了，当测量小电阻时采用外接法比内接法测量结果准确，当测量大电阻时采用内接法比外接法测量结果准确。

四、传感器与传统测量仪器相比存在的优势

1.传感器的量程宽，采集的数据点多，测量准确度高。

2.测量速度快，由于电子测量是通过电子技术实现的，因而测量速度很快。只有高速度的测量，才能测出实时变化的物理量，这正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因。

3.易于实现测量的自动化，由于微电子技术的发展和微处理器的应用，使电子测量呈现了崭新的局面。电子测量同计算机相结合，使测量仪器智能化，可以实现测量的自动化。例如：在测量中能实现程序控制、自动校准、自动转换量程、自动诊断故障和自动修复，对测量结果可以自动记录、自动进行数据处理等。

4.对实验参与者的素质提出了更高的要求。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]谭红，陈晓莉.DISLab在中学物理探究式教学中的应用[J].物理教学探讨.2008，26（319）：8-10

项目基金：*本文系河北省教育科学研究“十三五”规划课题“高中学校构建校级名师工作室，促进教师专业成长的行动研究”（1804081）系列成果之一。

*本文系河北省教育科学研究“十三五”规划课题“高中物理教学中应用数字化实验的策略研究”（1704094）系列成果之一