伏安法测量实验误差分析

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1、北京新东方优能高考网www.gaokao150.com伏安法测量实验中的误差分析北京新东方学校中学部物理教研组夏梦迪伏安法是高中物理电学实验中的一种非常重要的方法和实验思想。它以欧姆定律为原理，以伏特表（直流电压表）和安培表（直流电流表）为工具，向学生们提供了一种在测量电路中的一些重要电器元件的电学性质时的最为广泛使用、也最为行之有效的方法。同时，在高中电学中以伏安法为核心方法的一系列的测量实验的教学意义和考试价值也非常重大。这一组实验不仅在理论上覆盖了了稳恒电流一章中最核心的两个定律：部分电路的欧姆定律和全电路的欧姆定律，同时还涵盖了对电流表和电压表的使用的研究和学习、对电路

2、中滑动变阻器的两种连接方式的讨论等等极其重要的知识及考点。但是在考试里被涉及最多、同时也是学生最难以透彻理解和记忆的知识点，则是在这些实验中，电流表的内外两种接法给实验结果带来的误差。本文便是希望能够通过对这样的一个问题的系统地介绍和分析，最终能够用更加直观和透彻的方式解释清楚在这些实验中电流表的两种接法所带来的实验误差的规律、特性以及理论原因。在高中阶段，伏安法的测量实验主要由三个实验组成：伏安法测电阻实验、绘制小电珠（小灯泡）的伏安特性曲线实验、以及伏安法测电源的电动势及内阻实验。其中前两个实验的原理都是部分电路的欧姆定律（U=I·R），而最后一个实验的原理是全电路的欧姆定

3、律（E=U+I·R）。在只研究本文所关注的“电流表的接法问题对实验结果的影响”这一问题时，前两个实验从实质上来说是等价的。因此为了避免重复叙述，本文将只对“伏安法测电阻”和“伏安法测电源的电动势及内阻”这两个实验中由电流表的不同接法所产生的误差进行详细的分析与介绍。I、内、外接法的介绍在电学实验中利用伏安法测量电阻阻值和电源电动势和内阻的原理都是欧姆定律。其区别主要在于前者是利用部分电路的欧姆定律，只研究单一的电阻两端的电压和其中的电流之间的关系，从而得到电阻的阻值与伏安特性曲线；而后者是利用全电路的欧姆定律，来研究整个电路的路端电压（外电压）和干路电流之间的关系，从而得到电源

4、的电动势及内阻以及一条关于电源的UI图像。而正是这样的研究目的和研究对象的区别，给两个实验的电路图、电表所接位置、以及在实验中对电流表的内外接法的定义带来了一定的差异。其中，对在两个实验中电路内、外接法的辨识成为了这块内容的第一个难点和易错点。于是，对“内、外接法”的真实概念的分析与介绍，即是本文将要首先解决的问题。首先我们应当明白的是在伏安法测量实验中产生“内、外接”两种不同电路的原因。在用伏安法测量电器元件的电学特性时，我们的核心思想都是希望能够直接研究该元件两端的电压和其中的电流的关系，实现方式都是通过直接对和用电器并联的电压表及和用电器串联的电流表的读数进行记录并加以分

5、析。8下载更多资料请点击www.gaokao150.com北京新东方优能高考网www.gaokao150.com在这个时候，并联电表和串联电表之间将会出现一个联入电路的先后顺序问题。是先将电流表和待测元件串联之后再与电压表并联（图一），还是先将电压表与之并联之后再与电流表串联（图二），最后产生的电路结构是完全不同的。因此我们发现，电路的不同接法的产生原因，实质上来自于两个电表接入电路的顺序所造成的电路结构的异同。那么在了解了不同接法产生的原因后，其次我们应当弄清的是如何去界定何者为内、何者为外。一般来说，“内、外接法”是以电流表在电路中的相对位置作为判断标准来界定的。当电流表处

6、在我们所研究的部分电路内部，测得的是真实的流经待测元件的电流大小时，我们即认为该电路采用的是内接法；反之则为外接。在描述了伏安法测电阻实验电路的图一图二中我们可以明显地看到，图一中的电流表处在由电阻和电压表所构成的部分电路内部，直接和待测电阻串联，其读数直接反映出了待测电阻中电流的真实值，因此为“内接法”；而图二中的电流表明显处于该部分电路的外部，并未和待测电阻直接串联，因而其测量值也并不能反映流经待测电阻的电流的真实大小，所以为“外接法”。图3图4在伏安法测电阻的实验中，“内、外接法”还是比较容易区分的，在教学过程中学生犯错的可能性也并不大。可是到了伏安法测电源的电动势及内阻

7、的实验中，这个最基本的判断也往往成为会被学生们混淆的易错点。如图三、图四所示的两个电路图，则是在伏安法测电源电动势和内阻的实验中的两种不同接法所对应的图示。在辨析内外接法的过程中，学生常做的一种错误思考即是将直接将之与图一图二类比，认为图三和图一结构相似，因此采用的是内接法；而图四与图二表象一致，因此采用的是外接法。这样的错误是由于对“内、外接法”定义认识不够到位所产生的。在前文中已经说明，“内、外接”中的内和外，是以电流表在电路中的相对位置作为标准来判定的。另外，电流表是否直接与待测元件相