幫助學生有效把握電學實驗中的重點問題

李之東

【摘要】電學實驗的考查涉及電流表的內接與外接，滑動變阻器的限流與分壓。常規的學生實驗有測定金屬絲的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線、測電源電動勢和內阻、多用電表的使用，其中前三個實驗均是伏安法，涉及到電壓表與電流表的使用，由于實驗中的電表不是理想電表，造成實驗存在誤差，為了減小誤差，在儀器的選擇上、電流表的內外接法上、變阻器的限流和分壓上都要合理選擇。

【關鍵詞】實驗原則；實驗模型；內接法；外接法；限流式；分壓式

電學實驗是選修3-1《恒定電流》這一章的內容，是高中物理的重點和難點，主要有四個學生實驗：測定金屬絲的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線、測電源電動勢和內阻、練習使用多用電表，其中涉及到的知識有電路的設計，儀器的選擇、使用和讀數，內容繁而雜，很多學生一輪復習完后還是一知半解，做題也是云里霧里。如何幫助學生有效把握電學實驗中的重點問題，本文根據實際課堂教學和歷屆高考模式與題型，從基本的實驗方法、實驗原則與實驗模型三方面加以概括。

一、基本實驗方法

（一）電流表的兩種接法

高中階段，電學部分學生實驗都是依據伏安法的原理來完成的，測定金屬絲的電阻率實驗中涉及伏安法測電阻，描繪小燈泡的伏安特性曲線、測電源電動勢和內阻均使用了電壓表與電流表。因為實際的電表都不是理想電表，電壓表會分流，電流表會分壓，所以實驗時兩電表就帶來誤差，下面從“伏安法測電阻”角度介紹電流表的兩種接法以及如何減小實驗誤差。

1、兩種接法的比較：兩種接法的誤差來源不同，測量電阻時要根據情況選用合理的接法。

2、兩種接法的選擇：

⑴比值法：若Rx/RA>Rv / Rx用內接法，若Rx/RA

⑵試觸法：如圖1所示，將電壓表分別

接在a、c和b、c兩點間時，觀察兩電

表的示數變化情況。若電流表示數變化大，說明電壓表流過的電流大，不可忽略，應讓電流表測實際電流，選用內接法。若電壓表示數變化大，說明電流表分擔的電壓大，不可忽略，應讓電壓表測實際的電壓，應選用外接法。

（二）滑動變阻器的兩種接法

1、兩種接法的比較

由上表可以看出：滑動變阻器的分壓式接法中，電壓和電流的調節范圍較大，利于得到多組數據，限流式接法簡單而且相對較節能。

2、兩種接法的選擇

⑴兩種接法的使用條件

①限流式接法適用于測阻值小的電阻，相對滑動變阻器總電阻而言，但又不是相差很大，這樣移動滑動觸頭調節范圍大且方便。

②分壓式接法適合測量大阻值電阻（與滑動變阻器的總電阻相比），因為Rx越大，分壓式中Rx幾乎不影響電壓的分配，滑片移動時，電壓變化明顯，便于調節。

通常情況下（滿足安全條件），由于限流電路連接簡單，耗能較小，分壓式接法較復雜，而且耗能大，一般優先考慮用限流接法。

（2）在下列情況下必須采用分壓式接法：

①實驗要求電壓從零開始連續變化的。

②用限流不能保證實驗儀器的安全，如電路中的最小電流都超過電流表的量程。

如果實驗所提供的電表量程或電阻元件允許的最大電流很小，采用限流接法時，無論怎樣調節，電路中的實際電流（電壓）都會超過電表量程或電阻元件允許的最大電流（電壓），為了保護電表或電阻元件，必須采用分壓接法，來得到小電壓（電流）。

③變阻器的總阻值遠小于待測電阻。

這種情況下，采用限流接法時，即使變阻器的滑動片從一端滑至另一端，待測電阻上的電流（電壓）變化范圍不夠大，得不到多組數據，不利于多次測量求平均值或用圖像法處理數據，因此要采用分壓接法。

二、電學儀器選擇的基本原則

對于電學儀器的選擇，應綜合考慮以下幾個方面，通過粗略的方法進行判斷。

1、安全性。安全性是指每個電路元件上的電流、電壓、電功率不超過電路元件的額定值。如電源的輸出電流不超過最大允許值，電壓表兩端所加的最大電壓不超過量程。

2、精確性。精確性是指引起的誤差，實驗引起的誤差或相對誤差越小，精確性越高。如使用電流表和電壓表時指針應在滿偏刻度的1/3以上，這樣做是為了減小讀數帶來的相對誤差；在測量金屬導體的電阻時為減小溫度對電阻的影響，通過電阻絲的電流不宜過大，通電時間不宜過長；還用測電阻時外接法、內接法的選擇，電流表、電壓表內阻大小的考慮等等，都是為了減小誤差提高實驗的精確性。

3、方便性。方便性是指操作方便、讀數準確、數據處理簡單等。總阻值較大的滑動變阻器，盡管可以安全使用，但如果在實驗過程中只用到它很小一部分電阻，就不方便操作，不宜選擇。

4、節約性。只在不影響以上三個方面的基礎上，要考慮節約使用材料，節約電源消耗等。

三、實驗基本模型

1、伏安法測電阻包括限流式與分壓式。

2、替代法測電阻

原理：

課文圖2-1中單刀雙擲開關前后接1與2時，調節電阻箱R使兩次電流表讀數相同，則Rx=R。

課文圖2-2中單刀雙擲開關前后接1與2時，調節電阻箱R使兩次電壓表讀數相同，則Rx=R。

3、利用串并聯電路特點測量電表的內阻

4、描繪小燈泡的伏安特性曲線

此方案一般不選取，因為這個設計內阻測量值實際上是真實內阻與電流表內阻之和，在電源內阻較小的情況下，相對誤差超過100%，測量結果錯誤。

此實驗因伏安特性曲線不是直線，要求得到小燈泡在不同電壓下的電流，這樣描繪的圖線精確性才高，因此電壓調節范圍要大，能夠得到多個不同電壓，所以采用分壓式接法，并且滑動動變阻器阻值要比小燈泡的電阻小來保證燈泡電壓能隨滑片移動時平穩變化。

5、測定金屬絲的電阻率

本實驗測三組電阻后求平均值即可，不需要很大的電壓調節范圍，所以采用限流接法。

6、伏安法測電源電動勢和內阻

通過以上分析可以可出，電學實驗中原理的分析、方案的設計、誤差分析，都涉及到了《恒定電流》這章的大部分知識，如“部分電路的歐姆定律”，“閉合電路的歐姆定律”，“串并聯電路的電流電壓關系”，“串并聯電路功率問題”，而且由于題型靈活多變，在具體的實驗題目中能考查學生對知識的理解、把握和綜合能力，具有很高的選拔性，成為歷年高考的熱點問題，尤其是創新型實驗題更是考察學生對實驗原理的把握與理解，所以在實際的教學中從基本實驗方法，基本實驗原則，基本實驗模型入手，幫助學生夯實基礎至關重要。