高中物理电学实验《测量电源电动势和内阻》的基本方法及误差分析

何妹才

《测量电源电动势和内阻实验》是高中物理重要实验之一，也是高考的热门考点。与近年来的高考试题相比，該实验的测试点主要体现在实验原理和图像处理上。它对学生的实验误差分析和数据处理能力、知识迁移和创新思维能力有较高的要求，注重培养学生的物理核心素养。这个实验的难点在于电路选择和误差分析，因此本文首先从基本伏安法入手，运用三种常用方法进行误差分析，然后比较和扩展伏安法的四种变式及其误差，找到共同点，更好地指导实验教学。

一、伏安法测量电源电动势和内阻的内外接法

1.电路分析

伏安法测量电源电动势和内阻有两种方法，分别是电流表外接法（如图1所示）和电流表内接法（如图2所示）。与《伏安法测电阻》实验不同的是，本实验的内外接法不是以电流表和待测电阻的连接方法为判断依据，而是以电流表和电源的连接方法为判断依据，因为在本实验中的待测电阻实为电源的内阻，这也是学生较为疑惑之处。

2.误差分析

根据闭合电路欧姆定律E=U+Ir，此处的U应为路端电压和I为相应的干路电流，本实验使用的是实际电表，由于电表内阻的存在，不可避免地存在实验误差。若采取图1的电流表外接法，由于电压表分流，电流表所测电流小于其干路电流;若采取图2的电流表内接法，由于电流表分压，电压表所测电压小于路端电压。这两种方法各有利弊，那么哪种方法比较合适，在实践中应该如何选择？为了解决这个问题，我们必须先从这两种方法产生的实验误差开始，然后结合实际电路作出正确的选择。

针对伏安法的这两种接法的误差分析，常用方法有三种，分别是图像分析法、公式分析法、等效电源法（详见表1所示）。

3.电路选择建议

通过表1的比较可以看出，采用电流表外接方式时，电压表的内阻RV远大于外电阻R，以减少电压表分流带来的误差。当电流表内部连接时，电流表的内阻RA应比电源的内阻R小得多，以减少电流表分压引起的误差。在多数情况下，电源的内阻r一般较小，而电流表的内阻RA通常比电源的内阻大，若使用电流表内接法会有较大误差，故通常使用电流表外接法，但是对于内阻比较大的特殊电池，则要采用电流表内接法。在伏安法的内外接法中，可以用变阻箱来替代滑动变阻器，对实验误差无影响。

二、测量电源电动势和内阻实验变式——伏阻法和安阻法

1.电路分析

伏阻法和安阻法，实际上是伏安法的一种变式，它们电路的共同特点是一个电表和变阻箱的组合。这两种方法要利用变阻箱，间接地测量出电流（或电压），同时还利用它改变电路的电压（或电流）值进行多次测量，故此处不可使用滑动变阻器替代变阻箱。

2.误差分析

误差分析如表2所示。

四、教学策略指导

近年的全国高考物理电学实验题，往往考查的是学生对物理实验原理、实验方法的迁移创新能力。伏阻法、安阻法、伏伏法、安安法其实就是伏安法的变式，实验原理和误差分析方法也是类似的，因此教师在物理实验教学过程中，要引导学生多在迁移变化上下功夫，重视实验原理和方法的迁移，使其能够灵活运用所学实验原理和实验方法解决问题，达到举一反三的目的，有效地培养学生的创新实践能力。此外，要加强对学生读图能力的培养，正确理解图像的物理意义，根据不同的电路结构灵活改变物理量的函数关系，巧用图像解决相关物理量。

责任编辑 罗 峰