利用數(shù)字化實驗探究“伏安法測電阻的內(nèi)外接法”

王剛 郭偉

摘要：伏安法測電阻的基本思想是部分電路歐姆定律的應(yīng)用，在測量中由于要考慮電表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響，就會涉及電流表內(nèi)接和外界的問題，如何在實際測量時選擇合適的測量方法。通過GQY數(shù)字實驗平臺在傳統(tǒng)的實驗基礎(chǔ)上，應(yīng)用傳感器采集數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)的變化趨勢，從而使學(xué)生深刻理解伏安法內(nèi)外接產(chǎn)生誤差的原因和實驗方法選擇的條件。

關(guān)鍵詞： GQY數(shù)字實驗平臺;控制變量法;伏安法測電阻

“從接受性的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫W(xué)習(xí)，改變單一的個體學(xué)習(xí)方式，倡導(dǎo)獨立自主與合作交流相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式”這是課程改革的要點之一。數(shù)字化實驗系統(tǒng)為學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。豐富的傳感器可以增強(qiáng)學(xué)生的實踐體驗;信息化的實驗手段可以拓展學(xué)生探究日常生活中物理現(xiàn)象的能力，從而能激發(fā)學(xué)生探究的欲望;強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和開放的平臺有利于學(xué)生通過努力發(fā)現(xiàn)問題尋找規(guī)律，有利于學(xué)生將信息科技所學(xué)的知識引入到物理學(xué)科的學(xué)習(xí)中。筆者以《伏安法測電阻》為例，詳細(xì)介紹了內(nèi)接外接的誤差分析，充分展現(xiàn)了數(shù)字化實驗的高效性，準(zhǔn)確性。

伏安法測電阻電路可以分為兩部分：控制電路和測量電路?？刂齐娐分饕砷_關(guān)和滑動變阻器組成，測量電路主要由被測元件和電流表、電壓表組成。設(shè)計型電學(xué)實驗就是根據(jù)實驗?zāi)康暮侠淼脑O(shè)計控制電路和測量電路。

一、電流表、電壓表在電學(xué)量測量中的應(yīng)用

電學(xué)量的測量一般離不開電流表和電壓表的使用，由于電表有內(nèi)阻，在接入電路中一定會對電路產(chǎn)生影響，下表對電流表內(nèi)接和外接兩種測量方法對測量值的影響進(jìn)行了對比。

從比較的的結(jié)果可以看出，無論用那種方法都會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，如何減小實驗誤差是我們選擇電流表內(nèi)接和外接的關(guān)鍵;怎樣選擇伏安法的內(nèi)接和外接？

二、數(shù)字化實驗系統(tǒng)探究伏安法測電阻的內(nèi)外接法

【實驗器材】電阻兩個（一個是20Ω、另一個是200Ω，作為標(biāo)準(zhǔn)電阻，如圖1），J0407電流表一個，J0408電壓表一個，滑動變阻器一個（50Ω），學(xué)生電源一臺，電流傳感器一個，電壓傳感器一個，數(shù)據(jù)采集器及計算機(jī)（如圖2）。

【實驗電路】（如圖3、圖4）

【實驗操作】

1.按實驗電圖連接好電路，正確選擇電表量程。

2.點擊電腦桌面“單機(jī)運行平臺”，進(jìn)入GQY-elab系統(tǒng)，用鼠標(biāo)點擊界面中的“打開文件”按鈕，選擇桌面中“伏安法測電阻”文件夾中的“伏安法測電阻.XMLP”的模板文件進(jìn)入操作界面。（如圖5）

3.在實驗操作界面中，點擊“設(shè)備連接”，查找傳感器，設(shè)備連接正常，可以開始實驗。（如圖6、如圖7）

4.測量20Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻時電源選擇4V輸出，測量200Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻時電源選擇10V輸出。

5.單擊實驗操作界面中的“ON”按鈕，開始實驗，移動滑動變阻器采集實驗數(shù)據(jù)。（圖8）單擊“OFF”結(jié)束數(shù)據(jù)采集，利用GQY-elab系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，比較測量20Ω采用內(nèi)接外接和測量200Ω采用內(nèi)接外接的數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差分析，進(jìn)而得出結(jié)論。

三、數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的實驗數(shù)據(jù)對比

以上實驗是我們把數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，利用數(shù)字化實驗中的電學(xué)傳感器和傳統(tǒng)實驗中的電流表、電壓表同時測量電路中的電學(xué)量。完成實驗后，把兩種測量手段得到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.數(shù)字化實驗測量結(jié)果

實驗中通過數(shù)字采集器把電學(xué)傳感器測量的電學(xué)量傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，通過分析軟件根據(jù)教學(xué)要求對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。本實驗通過表格和圖像表現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，圖像中橫軸表示電流，縱軸表示電壓，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到電阻的U-I曲線，其中圖線的斜率Y，代表電阻，其擬合后的數(shù)據(jù)在圖中已表示。測量結(jié)果如下（如圖9，圖10）：

2.與傳統(tǒng)實驗測量結(jié)果比較（見下表）

我們把數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以看出使用了電流傳感器和電壓傳感器，測量出的實驗結(jié)果更接近標(biāo)準(zhǔn)電阻的真實值;兩種測量方式皆顯示了，當(dāng)測量小電阻時采用外接法比內(nèi)接法測量結(jié)果準(zhǔn)確，當(dāng)測量大電阻時采用內(nèi)接法比外接法測量結(jié)果準(zhǔn)確。

四、傳感器與傳統(tǒng)測量儀器相比存在的優(yōu)勢

1.傳感器的量程寬，采集的數(shù)據(jù)點多，測量準(zhǔn)確度高。

2.測量速度快，由于電子測量是通過電子技術(shù)實現(xiàn)的，因而測量速度很快。只有高速度的測量，才能測出實時變化的物理量，這正是它在現(xiàn)代科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的重要原因。

3.易于實現(xiàn)測量的自動化，由于微電子技術(shù)的發(fā)展和微處理器的應(yīng)用，使電子測量呈現(xiàn)了嶄新的局面。電子測量同計算機(jī)相結(jié)合，使測量儀器智能化，可以實現(xiàn)測量的自動化。例如：在測量中能實現(xiàn)程序控制、自動校準(zhǔn)、自動轉(zhuǎn)換量程、自動診斷故障和自動修復(fù)，對測量結(jié)果可以自動記錄、自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等。

4.對實驗參與者的素質(zhì)提出了更高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]譚紅，陳曉莉.DISLab在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討.2008，26（319）：8-10

項目基金：*本文系河北省教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題“高中學(xué)校構(gòu)建校級名師工作室，促進(jìn)教師專業(yè)成長的行動研究”（1804081）系列成果之一。

*本文系河北省教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題“高中物理教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實驗的策略研究”（1704094）系列成果之一