全面剖析测电池电动势和内阻实验的“四法五图”

安徽 徐建强

(作者单位：北京师范大学蚌埠附属学校)

一、对比剖析教材实验方案

表1

续表

二、常考点和易错点分析

(1)可选用旧电池。为了使电路的路端电压变化明显，电池的内阻宜大些，可选用已使用过一段时间的干电池，或者将一个定值电阻R(该电阻也可起到保护电路仪器的作用)与电源串联，求解等效内阻后再求解电源内阻。这是一个常考点，如2021年天津卷考题。

(2)仪器选择。根据电动势的大小选择电压表的量程，根据电动势和内阻的估值确定电流表的量程和滑动变阻器的最大阻值。这也是一个常考点，如2021年天津卷考题。

(3)电路图设计和实物图连接。实验原理为闭合电路欧姆定律，故滑动变阻器采用限流式接法，在解题时首先要明确基本电路图，再根据所给器材在基本电路图中进行改装设计，这是学生需掌握的基本技巧；在实物图连接中注意把导线画到接线柱上。这是一个易错点，如2020年山东卷考题。

图1

(5)误差分析。近几年高考中的实验题开始注重考查误差分析，尤其是考查学生分析误差来源和计算误差大小。这也是一个易考点，如2021年全国乙卷考题。

三、创新实验的考查

通过电路结构变化和电表的改装，该实验可以考查一些创新实验，如2021年乙卷第23题是伏阻法中电路结构变化的创新；2021年湖南卷第12题是安阻法借助圆形电阻丝代替滑动变阻器的创新等。针对这些创新，只要紧盯闭合电路欧姆定律的原理，写出对应表达式，即可解答试题；而安安法也已经成为备考中的一种必备方法，具体考点如表 2所示。

表2

【解题技巧】采用安安法的实验方案可以利用图像法处理数据，根据电表改装原理，纵坐标直接改为对应电压，利用伏安法图像的斜率和截距求解电动势和内阻。

四、典例剖析

【例1】(2021·全国乙卷·23)一实验小组利用图2所示的电路测量一电池的电动势E(约1.5 V)和内阻r(小于2 Ω)。图2中电压表量程为1 V，内阻RV=380.0 Ω；定值电阻R0=20.0 Ω；电阻箱R，最大阻值为999.9 Ω；S为开关。按电路图连接电路。完成下列填空：

图2

(1)为保护电压表，闭合开关前，电阻箱接入电路的电阻值可以选________(填“5.0”或“15.0”)Ω；

(2)闭合开关，多次调节电阻箱，记录下阻值R和电压表的相应读数U；

图3

(5)通过图3可得E=________V(保留2位小数)，r=________Ω(保留1位小数)；

【点悟】在解决电学实验问题时，可以总结为三步分析法：

1.分析实验目的，确定实验原理并设计电路图。该题没有考查电路图的设计，只涉及了仪器的选择。

3.误差分析。在分析误差来源时，关键要明确实验原理中的物理量和测量物理量的差别，如果该题没有考虑电压表的分流，会导致计算内电压时代入的干路电流偏小从而引起误差。在具体求解时，首先从原理角度出发进行理论推导，若从图像数据求解会使计算结果不准确。解答这类问题要对伏安法测电动势和内阻实验有一定的知识储备，因为对误差分析方面的考查主要是结论识记。总体而言，该题的设计凸显实验具体操作的考查，注重科学探究素养的呈现，是一道有难度的试题。

【例2】(2021·浙江省1月选考·18)(1)在“测定电池的电动势和内阻”实验中：①用如图4所示的电路图测量，得到的一条实验数据拟合线如图5所示，则该电池的电动势E=________V(保留三位有效数字)；内阻r=________Ω(保留两位有效数字)。

图4

图5

②现有如图6所示的实验器材，照片中电阻箱阻值可调范围为0～9 999 Ω，滑动变阻器阻值变化范围为0～10 Ω，电流表G的量程为0～3 mA、内阻为200 Ω，电压表的量程有0～3 V和0～15 V。请在图6中选择合适的器材，画出两种测定一节干电池的电动势和内阻的电路图。

图6

图7

图8

图9

【点悟】该题第1问，注重考查基础实验的细节，强化图像法求解数据时纵坐标的起点问题以及图线选点求斜率和截距，虽然难度不大但容易出错，平时应注重练习才能提升能力；再是考查有效数字问题，注意区分有效数字与保留几位小数的不同点，这是广大考生最易出错的一点，备考中一定多加注意。第2问，选择仪器、设计电路图是一个难点，解答好这类问题一定要熟悉基本电路原理图，然后根据所给仪器的特点变化电路结构，这是一个基本流程。

【例3】某实验小组用电阻箱、电压表测量电源的电动势和内阻，所测电源的电动势E约为6 V，内阻r为25～35 Ω，允许通过的最大电流为50 mA。所用电路如图10所示，图中电阻箱R的阻值范围为0～999.9 Ω。

图10

(1)电路中R0为保护电阻。实验室中备有以下几种规格的定值电阻，本实验中应选用________。

A.20 Ω，125 mA B.50 Ω，20 mA

C.100 Ω，60 mA D.1 000 Ω，5 mA

(3)以下选项中的图线①是由测量值作出的图线，则由真实值作出的图线②符合要求的选项是________。

A

B

C

D

【点悟】该模拟题依托基本的伏阻法方案，通过创新电路考查仪器选择、数据处理和实验误差。在第二问中注重依据原理推导表达式，考查学生的计算能力，结合2021年的高考试题不难发现，这是一个命题热点，应引起教师和学生的注意，备考中将其作为重点复习内容。第三问是一个创新的考查，难度较大，考生不易理解，原因是备考中较少涉及，解析中提供的是参考答案的方法，若在考试中采用，解题效率不高，而采用本文中对比剖析教材实验方案中提供的分析误差来源法，效率明显提高；针对这一问的设计，2022届的备考学生应有所警觉，即针对核心知识点一定要分析透彻，不留死角。

五、总结

通过以上原理和考题的呈现方式对比分析可知，高考试题突出考查学生核心素养下的科学探究素养，在备考中学生一定要紧抓原理的理解、掌握基础实验中涉及具体操作的细节问题，而针对创新实验的处理技巧应通过审题判断创新点是结构问题还是其他等方面问题，然后依据基本原理解答。