突破設計性電學實驗的難點

蔡義春

摘要：高考物理大綱要求考查五種能力，而設計性電學實驗，能夠考查學生的多種能力。那么，物理教師應該如何深化物理教學、提高學生的能力呢？筆者認為把握本質，學好基礎，學會選儀器、選電路，就可以突破設計性電學實驗的難點。

關鍵詞：高考物理；設計性電學實驗；難點

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2014）09-0133

高考物理大綱要求考查的五種能力是：理解能力、推理能力、分析綜合能力、運用數學處理物理問題的能力、實驗與探究能力。設計性電學實驗，能考查學生的多種能力，因此絕大部分高考物理試題都有電學設計性實驗。那么，教師應如何深化教學才能達到教綱、考綱的要求呢？

一、選儀器

1. 選儀器的原則

（1）安全：所選儀器的額定電流、電壓不得小于電路中的電流、電壓，以確保安全。從儀器安全的角度，要求電表的量程盡可能大一些。

（2）精確：在確保安全的條件下，量程越小越精確。

（3）簡潔：在確保安全、精確的條件下，原理、電路越簡潔越好。

例1. （2013年北京卷）某同學通過實驗測定一個阻值約為5Ω的電阻Rx的阻值。現有電源（4V，內阻可不計）、滑動變阻器（0～50Ω，額定電流2A）、開關和導線若干以及下列電表：

A. 電流表A1（0～3A，內阻約0.025Ω）

B. 電流表A2（0～0.6A，內阻約0.125Ω）

C. 電壓表V1（0～3V，內阻約3kΩ）

D. 電壓表V2（0～15V，內阻約15kΩ）

為了減小測量誤差，在實驗中，電流表應選用 ，電壓表應選用 。

分析：從安全因素考慮，優先選擇電壓表V2，而電源電動勢為4V，則電路中最大電壓不超過4V，不到電壓表的三分之一，雖然安全，但精確度達不到要求，故選電壓表V1。雖然電源電動勢為4V，電壓表的量程為3V，但可通過滑線變阻器控制在3V內。由Im=■=■=0.6A′，故電流表選A2。所以答案為電流表選A2，電壓表選V1。

二、選電路

在設計性電學實驗中，測電阻、元件的伏安特性時電流表有內接和外接兩種連接方式；滑線變阻器有分壓式、限流式兩種連接方式。如何才能作出正確的選擇呢？

1. 安培表內、外接的選擇

（1）安培表內接，如圖： ，由R測=■=■=R真+RA，若R真較大，即R真≥RA，則R測=R真+RA≈R真，誤差很小。若R真較小，則R測=R真+RA>R真，相對誤差較大，不能用內接法測量。因此，當被測電阻較大時，則安培表應內接。

（2）安培表外接，如圖： ，R測=■=■=■=■=■，若被測電阻較小，即R真≤RV，則R測=■<■=R真，誤差很小。若R真較大，則R測=■<■=R真，即R測

總之，安培表內、外接的原則是：內大外小，即內接法測大電阻，外接法測小電阻。

2. 滑線變阻器分壓式、限流式的選擇

若有下列條件之一，滑線變阻器必采用分壓式連接：

（1）要求電壓表的示數從零開始。若限流，則■=■，電壓表的示數不可能從零開始，所以不能限流，只能分壓。

（2）實驗要求測多組數據即電壓取值范圍盡可能大。

（3）被測電阻的阻值比滑線變阻器大得多。因為若采用限流，則I=■，RX≥R線，I=■≈■，即在限流時，當被測電阻比滑線變阻器大得多時，改變滑線變阻器，外電路的總電阻幾乎不變，因此電流表的示數幾乎不變。所以，當被測電阻的阻值Rx比滑線變阻器的阻值大得多時，滑線變阻器只能分壓。

在分壓電路中，在安全條件下，滑線變阻器越小，越便于調節。

若不滿足上述條件，則優先考慮限流，因為限流電路比分壓電路簡潔。

例2. （2013年天津卷）要測繪一個標有“3V 0.6W”小燈泡的伏安特性曲線，燈泡兩端的電壓需要由零逐漸增加到3V，并便于操作。備選用的器材有：

電池組（電動勢為4.5V，內阻約1Ω）；

電流表（量程為0250mA，內阻約5Ω）；

電壓表（量程為03V，內阻約3kΩ）；

電鍵一個、導線若干。

①實驗中所用的滑動變阻器應選下列中的 。

A. 滑動變阻器R1（最大阻值20Ω，額定電流1A）

B. 滑動變阻器R2（最大阻值1750Ω，額定電流0.3A）

②實驗的電路圖應選用下列的圖

分析：由于測繪伏安特性曲線，需要測多組數據，因此滑線變阻器必選擇分壓式。要求便于操作，故滑線變阻器在安全的條件下盡可能小，所以滑線變阻器選R1。又因小燈泡電阻較小，由內大外小的原則，則安培表外接。綜合上述電路圖選B。

掌握了上述特點，則處理設計性電學實驗就顯得游刃有余了。

例3. 一阻值約為30kΩ的電阻R，要用伏安法（下轉第136頁）（上接第133頁）較準確地測出它的阻值，實驗室備有下列器材：

A. 電源（E1=16V，r=2Ω）

B. 電源（E2=3V，r=0.5Ω）

C. 電壓表V1（15V，內阻約50KΩ）

D. 電壓表V2（3V，內阻約10KΩ）

E. 電流表A1（500μA，內阻約500Ω）

F. 電流表A2（1mA，內阻約250Ω）

G. 滑動變阻器（阻值0～200Ω）

H. 開關一只，導線若干。

①從上面器材中選出合適的器材為（用字母表示）

②畫出實驗電路圖。

分析：從安全因素考慮，優先選擇電源E2，由I=■≈■=100μA，是電流表A1量程的五分之一，是電流表A2量程的十分之一，雖然從安全因素考慮可行，但從精確度考慮，沒有過量程的三分之一，達不到精確度。因此不能選擇電源E2，只能選擇電源選E1。由I=■≈■=533μA，若考慮滑線變阻器的作用，則電流I可控制在量程500μA內，因此電流表選A1。所以選擇儀器的答案為ACEGH。由于被測電阻R約為30kΩ，是大電阻；由內大外小的原則，則安培表內接。又因為滑線變阻器的最大電阻為200Ω，遠小于被測電阻，故滑線變阻器只能采用分壓式。測量電路如下圖：

總之，掌握了選擇儀器與選擇電路的原則，學生就可以輕輕松松地突破設計性電學實驗。

（作者單位：浙江省泰順縣育才高級中學 325500）