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“电阻的测量”及“测定电源的电动势和内阻”均为高中物理重要的电学实验,也是各地高考命题的热点内容。在实际教学中,很多老师都习惯把它们当成两个分立的内容讲解。其中“测定电源的电动势和内阻”的电路设计及系统误差的分析一贯是教学的难点。结合“伏安法测电阻”的基本原理分析“测定电源的电动势和内阻”,更易于突破这一教学难点,让学生对实验原理及系统误差的分析理解得更加透彻。
一、“伏安法测电阻”的基本原理及系统误差分析
“伏安法测电阻”主要分为“电流表内接法”(简称“内接法”)和“电流表外接法”(简称“外接法“)。下表为两种电路形式比较。
由此可知,从减小系统误差来看
若电压表为理想电表或其内阻已知,应采用外接法;若电流表为理想电表或其内阻已知,应采用内接法;若电流表和电压表的内阻均不是定值,可采用“大内小外”的原则进行判断。且由于电流表的分压作用,使电阻的测量值大于真实值。由于电压表的分流作用,使电阻的测量值小于测量值。简单概括:“大内偏大,小外偏小”。
二、“测定电源的电动势和内阻”其中常见的基本方法
(一)伏安法,如图甲和图乙
以上无论哪一种实验方法,都会由于电流表或电压表的内阻影响造成系统误差。
如图甲,笔者认为,研究的对象是电源的内阻,把此电路简称为“外接法”更为合理,其主要是由于电压表的分流影响而导致了实验系统误差。在理论上E=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压。而实验中忽略了通过电压表的电流IV而形成误差,而且电压表示数越大,IV越大。由此可知:当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值等于真实值;当电压表示数为U时,I真=(IV+IA)> IA 。由此可得出理论上的U—I图线如图1所示,由图线的截距和斜率可得E测<E真。r测<r真。
如图乙,从电流表的接法可把此电路简称为“内接法”。此电路主要由于电流表的分压影响而导致了实验系统误差。其中IA为电源电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中UA不可知,而造成系统误差,而且电流表示数越大,UA越大。
由此可知:当电流为零时,UA=0,电压为准确值,即U=E;当电流表示数为I时,U真=(U+UA)> U 。即可得理论上的U—I图线如图2所示,由图线的截距和斜率可得E测=E真,r测>r真。由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r测的测量误差非常大。
以上分析可得:若电压表为理想电表或其内阻已知,应采用外接法,如图甲 ;若电流表为理想电表或其内阻已知,应采用内接法,如图乙;若电流表和电压表的内阻均不是定值,,可采用“大内小外”的原则进行判断。由于通常情况下电池的内阻较小,一般采用外接法,如图甲。
图甲由于电压表的分流作用,使内电阻的测量值小于测量值。图乙由于电流表的分压作用,使内电阻的测量值大于真实值。
同理,采用安阻法测定电源的电动势和内阻(如图丙),由于电流表的分压作用,使内电阻的测量值大于真实值,即E测=E真,r测>r真。
采用伏阻法测定电源的电动势和内阻(如图丁),由于电压表的分流作用,使内电阻的测量值小于测量值。即E测<E真。r测<r真。
由此可知,不管是“电阻的测量”或是“测定电源的电动势和内阻”,其系统误差主要是由于电流表的分压作用或电压表的分流作用所引起的。只要我们明确引起系统误差的原因,就能以不变应万变,从容应对电学实验。
一、“伏安法测电阻”的基本原理及系统误差分析
“伏安法测电阻”主要分为“电流表内接法”(简称“内接法”)和“电流表外接法”(简称“外接法“)。下表为两种电路形式比较。
由此可知,从减小系统误差来看
若电压表为理想电表或其内阻已知,应采用外接法;若电流表为理想电表或其内阻已知,应采用内接法;若电流表和电压表的内阻均不是定值,可采用“大内小外”的原则进行判断。且由于电流表的分压作用,使电阻的测量值大于真实值。由于电压表的分流作用,使电阻的测量值小于测量值。简单概括:“大内偏大,小外偏小”。
二、“测定电源的电动势和内阻”其中常见的基本方法
(一)伏安法,如图甲和图乙
以上无论哪一种实验方法,都会由于电流表或电压表的内阻影响造成系统误差。
如图甲,笔者认为,研究的对象是电源的内阻,把此电路简称为“外接法”更为合理,其主要是由于电压表的分流影响而导致了实验系统误差。在理论上E=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压。而实验中忽略了通过电压表的电流IV而形成误差,而且电压表示数越大,IV越大。由此可知:当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值等于真实值;当电压表示数为U时,I真=(IV+IA)> IA 。由此可得出理论上的U—I图线如图1所示,由图线的截距和斜率可得E测<E真。r测<r真。
如图乙,从电流表的接法可把此电路简称为“内接法”。此电路主要由于电流表的分压影响而导致了实验系统误差。其中IA为电源电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中UA不可知,而造成系统误差,而且电流表示数越大,UA越大。
由此可知:当电流为零时,UA=0,电压为准确值,即U=E;当电流表示数为I时,U真=(U+UA)> U 。即可得理论上的U—I图线如图2所示,由图线的截距和斜率可得E测=E真,r测>r真。由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r测的测量误差非常大。
以上分析可得:若电压表为理想电表或其内阻已知,应采用外接法,如图甲 ;若电流表为理想电表或其内阻已知,应采用内接法,如图乙;若电流表和电压表的内阻均不是定值,,可采用“大内小外”的原则进行判断。由于通常情况下电池的内阻较小,一般采用外接法,如图甲。
图甲由于电压表的分流作用,使内电阻的测量值小于测量值。图乙由于电流表的分压作用,使内电阻的测量值大于真实值。
同理,采用安阻法测定电源的电动势和内阻(如图丙),由于电流表的分压作用,使内电阻的测量值大于真实值,即E测=E真,r测>r真。
采用伏阻法测定电源的电动势和内阻(如图丁),由于电压表的分流作用,使内电阻的测量值小于测量值。即E测<E真。r测<r真。
由此可知,不管是“电阻的测量”或是“测定电源的电动势和内阻”,其系统误差主要是由于电流表的分压作用或电压表的分流作用所引起的。只要我们明确引起系统误差的原因,就能以不变应万变,从容应对电学实验。