基于数据分析软件测定电源电动势及内阻

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  实验是物理的重要组成部分,只要做实验就不能避免引入误差,有的误差是系统误差:由于仪器本身的不精确,或实验方法粗略,或实验原理不完善而产生的;有的误差是偶然误差:由各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的.偶然误差我们可以通过多次实验来降低,系统误差只能通过精确调整仪器来降低仪器所带来的误差.中学物理恒定电流章节中,测定电源电动势和内阻为分组实验,现有的教材尝试探究的思想,给出了三种方法测定电源的电动势和内阻.但如何更加形象的将实验数据加以分析,展示原理.就需要我们引入现代教育技术手段,如数据、图形图像处理软件等.我们可以利用资源,并结合教学实际情况,提高教学效率.
  
  1现有教材中的电源电动势及内阻测定实验
  
  现行的人教版物理教材中,对于电源电动势及内阻的测定分别给出了三种方法.
  
  方法一采用电流表的外接法,根据E=U Ir测量U、I,解出E和r,电路图1.1,改变外电路的R,测量U、I值,代入
  
  E=U1 I1r和E=U2 I2r
  
  中解得E=I2U1-I1U2I2-I1,r=U1-U2I2-I1;
  
  方法二采用电流表加电阻箱的方法,电路图1.2,根据E=IR Ir,测量I,R,解出E和r.
  
  E=I1(R1 r)和E=I2(R2 r).
  
  E=I1I2(R1-R2)I2-I1,
  r=I1R1-I2R2I2-I1;
  
  方法三采用电压表加电阻箱的方法,电路图1.3,根据E=U URr,测量U,R,解出:E,r为:
  
  E测=U1U2(R1-R2)U2R1-U1R2,r测=(U1-U2)R1R2U2R1-U1R2.
  
  
  以上三种方法由于电表存在内阻,都不能将电源电动势及内阻的真实值测定出来.而如果学生在分组实验中采用电流表的内接法,则可以将电源电动势准确测定.但教材中并没有涉及,我们来分析一下原因.
  
  2分析电流表外、内接法
  
  2.1电流表的外接法
  
  图1.1中为电流表的外接法,误差来源是:电压表能测准路端电压,而电流表不能测准干路电流——由于电压表内阻不是无穷大,所以有电流通过,其电流为IV=URV,计算时如果需要考虑IV,则列方程
  
  E=U1 (I1 IV1)r和E=U2 (I2 IV2)r,
  
  联立解得
  
  E=I1U2-I2U1I1-I2-(U2RV-U1RV),
  r=U2-U1I1-I2-(U2RV-U1RV).
  
  此计算结果为真实值,通过对比可以发现E测  
  2.2电流表的内接法
  
  图2.1为电流表的内接法,误差来源是:电流表能测准干路电流,而电压表不能测准路端电压——由于电流表内阻不为零,所以分有电压,其电压为UA=IRA.计算中如果需要考虑UA,则列方程
  
  E=(U1 UA1) I1r, E=(U2 UA2) I2r.
  
  联立解得E=I1U2-I2U1I1-I2,
  r=U2-U1I1-I2-RA.
  
  此为实验电路的真实值,对比发现E测=E真,r测>r真.
  
  2.3误差定性分析
  
  用U-I图象进行误差定性分析:从图象上看,电流表的外接法由于电流测量值偏小,电流表的内接法由于电压测量值偏小,在图2.2、图2.3上进行模拟修正,根据纵轴截距为电源电动势,图象斜率为电源内阻,可以看出:图2.2电流表的外接法电动势的测量值小于真实值,电源内阻的测量值小于真实值;图2.3电流表的内接法电动势的测量值等于真实值,电源内阻的测量值大于真实值.
  
  
  2.4误差根源
  
  误差的根源是:实验时使用的电压表及电流表都不是理想电表,电表的表头存在内阻,电压表会分流,电流表会分压.
  
  3实验误差的数据分析及软件修正
  
  3.1误差根源处理
  
  在本节课的教学前,学生刚刚学过如何用“半偏法”、“伏伏法”、“安安法”、“等效替代法”“电桥法”“伏安法”等一系列方法测定表头的内阻.所以在学了测定表头内阻之后,再设计实验测电动势及内阻实验时,我们可以先将表头的内阻测量出来.这样就没有必要选择电流表的外接法(电动势和内阻都不能准确测量)的设计电路,放弃了电流表的内接法(电动势可以准确测量)的设计电路.
  
  3.2误差修正
  
  电源电动势和内阻测定实验是物理电学实验中最重要的实验之一,图2.1电路是此实验的教学难点.通过引入现代的教学手法,将实验数据给予修正,让学生在学习中找到设计实验解决问题的乐趣.可以在教学中利用Origin软件,对数据实行现场修正,并拟合成图形,将更加形象和直观.通过实验测量得出具体数据,如表1和表2所示.
  
  表1 电流表的外接法数据
  
  U/V2.492.352.212.091.99
  I/A0.060.080.100.120.14
  表2 电流表的内接法数据
  
  U/V2.282.182.081.981.86
  I/A0.100.120.140.160.18
  通过实验测定:电压表内阻为RV=4 kΩ.电流表内阻为RA=0.14 Ω,电流表的外接法修正ΔIV=URV,电流表的内接法修正ΔUA=IRA,将测得的数据与修正后的数据同时输入Microsoft Origin数据分析软件,生成图3.1和图3.2.
  
  
  图3.1为电流表的外接法实测数据(上图)及修正数据(下图)生成的图形,因为误差很小,所以没有将图象拟合.图3.2为电流表的内接法实测数据及修正数据生成的图形,误差较大,生成图象时在一个坐标系中呈现出来,印证了2.3误差定性分析的准确性.
  
  电流表的外接法测定电动势及内阻,虽然误差较小,但小多少,从图上以及数据分析上并没有一个具体的值.而电流表的内接法测定则不同,首先电源的电动势的测定是准确的,其次电源的内阻测量值偏大,且偏大了一个电流表表头内阻的数值,即在实验中我们将电流表的表头内阻也等效成了电源的内电阻.实验的系统误差在实验者的控制之内.通过图形图象的对比,结合理论分析,我们不仅可以解释教材选择电流表外接法的原因,也非常具体、形象的展现了电流表内接法的实验误差,以及如何修正来减小误差.所以此实验方法可以作为一个探究、设计、修正型实验来处理.也符合新课程传达的思想:用多种方法来探究测定电源的电动势和内阻.
  
  4结束语
  
  传统的电学实验设计以安全、精确为前提,没有考虑教育技术的手段.在现代教育技术不断普及和应用的教学中,我们可以勇于尝试探究,将新的教育手段带入教学中,提高实验设计的精确度、提升教学的乐趣,从而激发学生的探索欲、求知欲.下一步研究考虑将传感器引入本实验中,这样就可以不考虑内阻所引起的误差,电脑可以只呈现修正以后的图,这样做的数据处理会更加的精确.电学以实验设计为基础,鼓励创新,引入新的模式将使学生在实验设计中不仅可以加深理解实验原理,还能提高学生的学习兴趣,锻炼动手能力.
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