電學實驗中儀器和電路的巧選

　　摘 要： 電學實驗是高中物理實驗的重要組成部分，是高考實驗考核的重點。實驗儀器和電路的選擇是電學實驗的基礎，是考查的熱點。本文在教學實踐的基礎上結合例題探討儀器和電路的巧選，提高學生解決電學實驗問題的能力。
　　關鍵詞： 電學實驗 儀器和電路 巧選 解題能力
　　
　　一、儀器的選擇
　　選擇儀器，既要保證器材安全，又要盡可能使測量結果精確［１］。
　　1.在選擇電流表（或電壓表）的量程時，先估算電路中電流（或電壓）的最大值，再考察估算的最大值是否能達半偏以上，若達不到半偏以上，則以偏轉角大些為好。
　　2.在“伏安法測電阻”和“伏安法測電源電動勢和內電阻”的實驗中，安全情況下，一般選用總阻值較小的滑動變阻器，前者方便調節(jié)，后者減少誤差［2］。
　　選用器材的基本思路為：先找出唯一性器材，再估算最大值（限流電路中滑動變阻器的滑片滑到最小位置，暫不考慮接入電流表和電壓表），然后考慮電表指針能否半偏選擇量程。
　　【例1】欲用伏安法測量某一阻值約為12Ω的電阻R，要求測量結果盡量準確，現有如下器材：
　　A.電池組E（6V，內阻很小）
　　B.電流表A（0～0.6A，內阻0.125Ω）
　　C.電流表A（0～3A，內阻0.0125Ω）
　　D.電壓表V（0～6V，內阻6kΩ）
　　E.電壓表V（0～15V，內阻15kΩ）
　　F.滑動變阻器R（0～20Ω，1A）
　　G.滑動變阻器R（0～200Ω，0.3A）
　　H.電鍵和導線
　　上述器材應選用的是?搖 ?搖。
　　解析：先找出唯一性器材：被測電阻、6V的電池組A、電鍵和導線H；再估算電流的最大值：I=E/R=6/12=0.5A，且要求兩表指針均能半偏以上，因此電流表和電壓表選B和D；滑動變阻器選F，這樣安全、阻值較小且方便調節(jié)。故上述器材應選用的是A、B、D、F、H。
　　二、電路的選擇
　　在高中階段，選擇電路要抓住兩個關鍵，一個是電流表（相對被測部分和電壓表的位置而言）采用“外接法”還是“內接法”（如表1中），另一個是滑動變阻器采用“分壓式”還是“限流式”（如表2中）。
　　（一）電表的接法
　　對于電表的接法，通常利用如下結論（可通過實驗并結合誤差理論得到）：
　　1.當R＜（或R?塏R）時，采用外接法，則R＜R；
　　2.當R＞（或R?垌R）時，采用內接法，則R＞R。
　　（式中，R表示未知電阻的阻值，R表示電流表的內阻，R表示電壓表的內阻，R表示未知電阻的測量值，R表示未知電阻的真實值。）
　　以上關系容易搞混，也不好記憶。在理解基礎上，可將上述結論簡記為：“小外小，大內大”。其中第一個小（大）是指條件，中間的外（內）是指外接法（內接法），第二個小（大）是指測量值比真實值偏小（偏大）。
　　【例2】例1中，電流表采用?搖 ?搖?搖?搖（填“外接法”或“內接法”），測量值比真實值?搖?搖 ?搖?搖（填“偏大”或“偏小”）。
　　解析：先判斷出R=12Ω＜==27.4Ω
　　再根據口訣“小外小”可知電流表采用外接法，測量值比真實值偏小。
　　（二）滑動變阻器的接法
　　對于滑動變阻器的接法，要遵循安全、精確、節(jié)能、方便的原則。常見情形如下：
　　1.要求回路中某部分電路電流或電壓實現從零開始連續(xù)調節(jié)時，或大范圍內測量電壓、電流時，必須采用分壓式接法。這一情形可簡記為：“零起必分”。
　　2.當滑動變阻器的最大阻值R比負載電阻（未知電阻）的阻值R小得多時，采用分壓式接法，反之，若R與R接近或R大于R時，可以采用限流式接法。可簡記為：“滑小必分，滑大可限”。
　　3.根據電壓表、電流表的量程，以及電阻允許通過的最大電流等參數分析，以“更安全、誤差小”為原則選用連接方式。為避免燒壞電表，必須采用分壓式接法。簡記為：“燒表必分”。在沒有很高要求的情況下，僅從安全性和精確性角度分析兩者均可采用時，可考慮安全、簡便和節(jié)能，采用限流式接法。
　　在理解基礎上，我們容易記住口訣“零起必分，滑小必分，滑大可限，燒表必分”，遇到具體問題，應用口訣能迅速地對滑動變阻器應采用的接法作出判斷，進而提高解題效率。
　　【例3】討論：在例1中，滑動變阻器可以采用限流式接法嗎，若可以，請說明理由？
　　解析：由題容易判斷：R=20Ω＞R=12Ω，根據口訣“滑大可限”，可知滑動變阻器可以采用限流式接法，限流式接法更簡便、節(jié)能。若要求畫出這個實驗的電路圖，結合前面的解答，則水到渠成。
　　三、典例解析
　　下面以高考題為例，進一步探討電學實驗對儀器和電路選擇類問題的解答。
　　【例4】：（2011·天津）某同學測量阻值約為25kΩ的電阻R，現備有下列器材：A.電流表（量程100μA，內阻約為2kΩ）；
　　B.電流表（量程500μA，內阻約為300Ω）；
　　C.電壓表（量程15V，內阻約為100kΩ）；
　　D.電壓表（量程50V，內阻約為500kΩ）；
　　E.直流電源（20V，允許最大電流1A）；
　　F.滑動變阻器（最大阻值1kΩ，額定功率1W）；
　　G.電鍵和導線若干。
　　電流表應選?搖 ?搖?搖?搖，電壓表應選?搖?搖 ?搖?搖（填字母代號）。
　　該同學正確選擇儀器后連接了如圖電路，為保證實驗順利進行，并使測量誤差盡量減小，實驗前請你檢查該電路，指出電路在接線上存在的兩個問題。
　　（1）?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖 ?搖?搖； （2）?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖 ?搖?搖
　　解析：本題中，E項直流電源是唯一的，屬電源的必選器材，電動勢為20V，考慮到精確原則，看電壓表指針能否半偏以上，因此電壓表選用量程較為接近的C；估測流過未知電阻的最大電流I=E/R=15/25000=600μA，考慮精確原則，因此電流表選B。
　　計算得到：R=25kΩ＞==kΩ
　　根據口訣“大內大”可快速判定電流表應該采用內接法。
　　可知R=1kΩ＜R=25kΩ，根據口訣“滑小必分”，可判定滑動變阻器要采用分壓式，不能采用限流式。
　　
　　參考文獻：
　　［1］［2］李國宇等.高中物理課堂導學與針對訓練·中冊［M］.中國言實出版社，2007-04.