陆小军

摘要高中物理教材闭合电路欧姆定律的应用中安排了用伏安法测量未知电阻的阻值的实验。这个实验涉及的知识面广,实验技能要求高,学生在实验中常常会在遇到这样或那样的问题,本文就教学中笔者遇到的问题谈一下自己的教学心得。

关键词伏安法测电阻 实验

中图分类号:G633.7文献标识码:A

高中物理教材闭合电路欧姆定律的应用中安排了这样一个学生实验:伏安法测量未知电阻的阻值。这个实验涉及的知识面广,实验技能要求高,学生在实验中常常会在遇到这样或那样的问题,如果我们不能在事先有所准备,就会在课堂上无所适从。在这个实验教学中笔者就遇到这样一些问题。

首先是实验方法。我们测量电阻没有用万用电表直接测量,而是用电流表与电压表分别测出电阻两端的电压与电流,然后用欧姆定律算出该导体的电阻值的方法。其实这种方法我们以前也用过,如测量物质的密度,我们只要测出该物质的质量和体积,用密度公式就能算出物质的密度;测量固体对水平地面的压强,只要测出固体的重力和固体与地面之间的受力面积就可以了。不少学生到实验室不知道测量什么,为什么要这么做,这些都是由于不少学生没有把握好实验方法的结果。

其次是实验器材的选择。在实验桌上放着一些器材,有的用得到,有的用不到,在不加说明的情况下,学生们拿起来就用,什么器材都要接上去,也不考虑实验操作的规程,这样会损坏实验器材。鉴于此,我们在实验前必须告知学生要有选择地使用实验器材,电源电压应选多大的,太大了易损坏器材,而太小了实验的效果不明显,实验中要不要滑动变阻器,滑动变阻器要选什么规格的,同样存在选择不当不能起到应有的作用。

第三是在接线中的问题。让学生接线时大多数情况下学生能够正确接线。在未加说明时,学生有两种接线的方法:一是电压表接在电阻R的左右两端,就是我们书上所画的电路图那样接线的;另一种是电压表接在R与电流表的两端。这两种接线方法去测量同一电阻它的电阻值却不同。学生是不可能知道问题究竟出在哪的。而我们知道,这两种方法都不能准确地测量出未知电阻的阻值。我们这里能用这样的方法来测量电阻值,完全是由于我们是把电流表的电阻看成是零欧,即电流表没有电阻,电压表的电阻看成是无限大。而事实上电压表的电阻也不是无穷大,有的只有几千欧到几十千欧,电流表的电阻也不为零,小的也有零点几欧。学生测量出的同一定值电阻的阻值,用以上的两种不同方法测量出的结果不一样也是正常的。这是由实验方法所决定的,物理上把它叫做系统误差。

前一种方法叫外接法。就是电流表接在外边,测出的电阻值比电阻的真实值要小。此时电压表与R两端的电压相等,但电压表的电阻不为无穷大,它就具有分流作用,使得电流表的示数大于流过电阻R的电流,用两者的和代替其中的一个故电流偏大,由欧姆定律R=U/I算出的电阻值就会偏小。如果电压表的电阻值比所测量的电阻阻值大得多,这时电压表的分流很小时,用这种方法误差就比较小。

后一种方法叫做内接法。就是电流表接在电压表的里边,用这种方法测得值要大于该电阻的真实值。此时电流表的示数与通过R中的电流相等,但由于电流表的内阻并不为零,因而电流表就具有分压作用,使电压表的示数大于R两端的电压,用两者的和代替其中的一个故电压偏大,由欧姆定律R=U/I算出的电阻也就大于该电阻的真实值。但如果电流表的阻值远远小于所测量的电阻值,这时电流表的分压很小时,用这种方法误差就比较小。

学生在实验中遇到这样的情况是很正常的,我们要正确地引导。当然在这个实验中我们事先不知道待测电阻的大小,也不知道电流表与电压表的电阻的大小。为了快速、准确地确定用哪一种方法比较好,我们可以按以下的步骤进行操作:将待测电阻与电流表串联,电压表的左端固定在电阻R的左端,将电压表的另一端先后接触电阻的右端和电流表的右端,比较两次接触中电表的示数的变化情况:如果电压表的示数变化显著,说明电流表的电阻比较大,此时电流表的分压作用明显,应当使用外接法,使测出的电压值为电阻两端的电压值,这时误差较小;如果电流表的示数变化明显,说明电压表的电阻不够大,此时电压表的分流作用明显,应当使用内接法,使测得的电流值为通过电阻的电流值,这时误差较小。

第四是对教材中安排的两个实验理解不够。同样是测量电阻值,为什么一个测量三次的目的可以取平均减小实验的误差,而另一个导体的电阻值却是可变的?

教材中安排了这样的两个实验的目的是在加深学生对欧姆定律的理解的同时,使学生对所测出的数据进行不同的思考,从而从不同方面加深对电阻概念的理解,对于学生的学习方法和能力的培养有不同的作用。

这两个实验有许多相同之处,但也有许多不同之处。实验的原理都是R=U/I;实验所用到的器材是基本相同(定值电阻与小灯泡不同);实验电路基本相同,在连接电路时的需要注意的事项相同,必须注意的是:连接电路时开关要断开;在闭合开关前将滑动变阻器的阻值调到最大。而且滑动变阻器的作用也是相同的,都是改变灯泡或定值电阻两端的电压和保护电路,同时在它们两端的电压改变时,导体中的电流也跟着改变。实验中的故障原因相同。如电路中电压表有示数而电流表的示数几乎为零,都是由于电阻或灯泡出现了开路。

在这两个实验中也存在着许多不同之处,主要表现在以下几个方面:实验中操作不同。在测量小灯泡电阻的实验中,测量时要求接通电源后通过调节滑动变阻器把电压调到灯泡的额定电压,测量从该电压开始逐次降低,获得几组数据。这样做的目的是为了避免小灯泡两端的电压过高,烧坏小灯泡,而在测量定值电阻的阻值的实验中则没有这个要求;记录实验数据的表格不同。小灯泡灯丝的电阻随着它两端的电压的变化而变化,不是一个固定的值,所以在设计表格时,没有必要设计求平均值这一栏,而是加上灯泡的亮度一栏。由于定值电阻是采用对电流阻碍作用受温度影响小的材料制作的,因此,当定值电阻两端的电压发生变化时,定值电阻的阻值变化很小,可以忽略不计。为了减小实验误差,在实验中采用了多次测量取平均值作为待测电阻的阻值,来减小实验误差;I—U图像不同。对数据的分析和处理,可以采用物理中常用的图像法进行分析,定值电阻的I—U图像是一个正比例函数,是一条经过原点的直线,学生据此可以得出定值电阻的阻值是不变的。而小灯泡的电阻则随电压的变化而变化,因此它的I—U图像就不是一条直线。

在实验教学中不管遇到什么问题,我们不能牵强附会,搪塞了事,而应实事求是,正确面对,理性分析,科学的东西来不得半点虚假,这样做有助于培养学生对待科学的实事求是的态度。