测电源电动势E和内阻r的误差分析及教学对策

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  测电源电动势E和内阻r的方法有以下几种:利用电流表和电压表来测量,利用一只电流表和电阻箱来测量,利用辅助电源测量,利用电桥平衡测量,利用电动势已知的标准电源测量,本文讨论利用电流表和电压表来测量电源电动势E和内阻r,即伏安法测电源的电动势E和内阻r。
  “伏安法”是“测电源电动势和内阻实验”的常用方法,是电学实验的基本方法,理解其原理、知道其偶然误差、掌握系统误差分析的方法,对学生实验能力及电路分析能力的提高有较大帮助。在较高层次的实验能力考查中,常要求学生进行实验误差分析,本文介绍“计算法”、“等效法”和“图象法”这三种系统误差分析法,并提出相关教学对策。
  一、偶然误差的产生
  1.读数不准和电表线性不良引起误差。
  2.用图象法求E和r时,由于作图不准确造成的误差。
  3.测量过程中通电时间过长或电流过大,引起E和r的变化。
  二、系统误差的产生
  1.实验电路及原理。本实验有两种电路,如图1、图2所示,通过改变R值,测出两组U、I值,由闭合电路欧姆定律可列出两个方程:E=U1+I1r和E=U2+I2r,联立可解出E、r的值。
  2.系统误差的原因及特征。实验原理不完善是系统误差产生的主因,分析这类系统误差应从实验原理入手,运用有关物理规律进行定性或定量剖析。图1是因电压表的分流而引起系统误差,图2是因电流表的分压而引起系统误差。系统误差的特征是在多次重复同一实验时,结果总是同样“偏大”或“偏小”。
  三、系统误差的分析
  1.计算法。根据实验原理,运用电路规律进行运算分析而得出结论。设电源电动势和内阻的真实值为E0和r0,测量值为E和r,电压表内阻为RV,电流表内阻为RA,由电路规律分析可得结论。
  (1)电流表外接:E= ,r+ ---①
  结论:E  (2)电流表内接:E=E0,r=r0+RA-----------③
  结论:E =E0,-----------------------④
  2.等效法。先将相关电表与电源看成一个整体——“等效电源”,再运用电路规律进行运算分析得出结论。
  (1)电流表外接。取如图3虚线内部分为“等效电源”,其等效电路如图4所示。“等效电源内阻r”是RV与r0的并联值。由电路规律分析可得上述①、②式。
  (2)电流表内接。取如图5虚线内部分为“等效电源”,其等效电路如图6所示。“等效电源内阻r”是RA与r0的串联值。由电路规律分析可得上述③、④式。
  3.图象法。运用U-I图象,将测量值(E和r)与真实值(E0和r0)进行分析比较而得出结论。
  (1)电流表外接。因电压表的分流,当电压表读数为U时,通过电源的实际电流值I0(理论值)与电流表读数I(实验值)相差I,由I=I0-I=IV=U/RV知,I随U的减小而减小,当U=0时,I=0,有(E/r)=E0/r0,作U-I图线如图7所示,可得出上述结论②。
  (2)电流表内接。因电流表的分压,当电流表读数为I时,电源两端的实际电压U0(理论值)与电压表的读数U(实验值)相差U,由U=U0─U =UA=IRA知,U随I的减小而减小,当I=0时,U=0,有E=E0,作U-I图线如图8所示,可得出上述结论④。
  四、教学对策
  1.要分清“内接”、“外接”的情景。学生在学习“伏安法测电阻”时, 对电流表的“内接”、“外接”已有认知基础,如图9所示,甲为“电流表内接”、乙为“电流表外接”,这是符合学生认知经验的直观描述。但对照图1、图2却发现两者说法“相反”,学生特别易混淆,应高度重视。
  解决办法:强调“研究主体”。 让学生明白对“电流表接入位置”的描述,是根据“电流表与研究主体的相对位置”而言的。“测电阻”的研究主体是“电阻”,而“测电源电动势和内阻”的研究主体是“电源”,两者情景不同故说法“相反”。如果将图1、图2改为图10,学生就心领神会了。
  2.会进行“内接”、“外接”的选择。“电流表外接”时有E测 r真,该如何选择电路?在“电流表外接”时,由上述①式知:如RV》r0,则E测≈E真、r测≈ r真,此时系统误差可忽略;在“电流表内接”时,由上述③式知:有E测=E真,如RA《r0,则r测≈ r真,此时系统误差可忽略。所以,测“小内阻电源”时,适用“电流表外接”,测“大内阻电源”时,适用“电流表内接”。
  上述规律与“伏安法测电阻”的电流表接法选择规律“大内小外”是一致的。在这里应向学生强调“伏安法”在两个不同实验中的规律统一性,同时也应说明实验室常用的干电池属于“小内阻电源”,要选“电流表外接电路”。
  3.需掌握系统误差的分析方法。从学生认知习惯和教学要求来看,需要让学生理解并掌握“图象法”。首先,图象比较直观,易于判断。记忆也不难,可用形象记忆法,两个图线都是“理论图线在上”,都是一端相交另一端“开口”,象个喇叭。“电流表外接”时喇叭“开口向上”(外接),“电流表内接”时“开口向下”(内接)。其次,运用图象是高中物理对学生的重要能力要求,通过训练有助于学生能力的提高。
  4.应领悟“等效电路”的研究思路。“等效电路”是电路分析的重要方法,例如在研究电源的输出功率、分析动态电路等问题时,用“等效电路”可使问题简化。使学生领悟“等效电路”的研究思路,可提高学生电路分析的能力。“等效法”也是物理学研究的重要思想方法之一,通过相应训练可促进学生分析与解决问题能力的提高。
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