高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和電路的選擇分析

呂少永

摘 要：電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，主要包括實(shí)驗(yàn)器材選擇和實(shí)驗(yàn)電路選擇兩個(gè)部分。依據(jù)安全、適用、方便、準(zhǔn)確的基本原則，合理選擇實(shí)驗(yàn)器材和電路。在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上，按照實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟完成具體的物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：高中物理 電學(xué)實(shí)驗(yàn) 器材 電路 選擇

電學(xué)實(shí)驗(yàn)在高考中的占比不斷增加，這就要求教師應(yīng)更加有針對(duì)性地展開電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本要求就是保證器材的安全，在器材安全的基礎(chǔ)上可供選擇的實(shí)驗(yàn)器材有很多。教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際教學(xué)要求，選擇合理的實(shí)驗(yàn)器材和電路，這也是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。

一、基本原則

1.安全原則

安全原則是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原則之一。安全原則就是在電學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行中，要確保實(shí)驗(yàn)器材的安全，避免出現(xiàn)器材損壞及電路燒毀等問題。在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常見的安全問題主要包括電流表燒毀、電壓表燒毀、接線柱接反、讀數(shù)超量程等。這些安全問題不僅會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確，還會(huì)導(dǎo)致器材的損壞，甚至危及實(shí)驗(yàn)人員的人身安全。因此，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師要明確強(qiáng)調(diào)安全原則，確保學(xué)生執(zhí)行到位。

2.適用原則

適用原則就是選擇的器材或電路應(yīng)確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，避免出現(xiàn)讀數(shù)超量程等問題。適用原則主要體現(xiàn)于器材選擇和電路選擇。

3.方便原則

方便原則的出發(fā)點(diǎn)就是方便實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，即在安全原則和適用原則的基礎(chǔ)上，合理選取實(shí)驗(yàn)器材和線路，盡量簡化實(shí)驗(yàn)連線圖。方便原則主要體現(xiàn)在滑動(dòng)變阻器、限流電路和分壓電路的選擇上。

4.準(zhǔn)確原則

準(zhǔn)確原則就是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果應(yīng)當(dāng)盡量保持精準(zhǔn)，最大程度地降低實(shí)驗(yàn)誤差。在物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確原則也是其他類型實(shí)驗(yàn)的基本要求之一。準(zhǔn)確原則主要涉及實(shí)驗(yàn)器材選擇的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)線路選擇的準(zhǔn)確性兩個(gè)部分。一般情況下，為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，可以根據(jù)電學(xué)實(shí)驗(yàn)給出的已知條件，對(duì)電流、電壓等進(jìn)行粗略估算，再根據(jù)估算結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材和電路。

二、電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材選擇

1.電源

電源是高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵器材，電源選擇是否合理直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的成功與否。電源選擇要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際要求而定，如果實(shí)驗(yàn)要求交流電源，那么就應(yīng)該選擇交流電源;如果實(shí)驗(yàn)要求直流電源，那么就應(yīng)該選擇直流電源。此外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路的用電需求，選擇大小合適的電源（如6V或12V等）。在高中物理的常見實(shí)驗(yàn)中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一般使用低壓交流電源，電火花計(jì)時(shí)器一般使用50Hz交流電源，描繪等勢(shì)線的實(shí)驗(yàn)一般使用6V直流電源，測(cè)量內(nèi)電阻或電動(dòng)勢(shì)一般使用干電池。

2.電壓表和電流表

在高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，電流表和電壓表是最常見的兩類實(shí)驗(yàn)器材，選擇相應(yīng)的儀表時(shí)應(yīng)注意電壓表和電流表的最大滿偏值是多少，電流流經(jīng)的方向怎樣。不論是選擇電壓表還是電流表，通常都要按照下面的三個(gè)基本原則進(jìn)行。

（1）電源參數(shù)。電源參數(shù)是選擇電壓表和電流表的一個(gè)重要參考對(duì)象，根據(jù)電源參數(shù)，基本上可以確定電壓表或電流表的量程范圍。如在測(cè)電源內(nèi)阻時(shí)，一般選用干電池做實(shí)驗(yàn)電源，此時(shí)選擇一個(gè)3V電壓表就能滿足工作需求了。

（2）最大電流。在實(shí)驗(yàn)電路中，根據(jù)接入的實(shí)驗(yàn)器材、電路器材和電路連接方式就可以初步確定電路電流的最大值，再依據(jù)該最大值就可以選擇適當(dāng)?shù)碾娏鞅砹耍x擇的電流表量程只需適當(dāng)大于最大電流即可。

（3）額定電流或電壓。在某些電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)器材具有一定的額定值，如額定電流、額定電壓以及額定功率等。對(duì)于這些具有額定參數(shù)的器材，就可以根據(jù)其額定值選擇對(duì)應(yīng)的電壓表或電流表。

3.滑動(dòng)變阻器

電壓和電流在實(shí)驗(yàn)中的確切變化范圍，是選擇滑動(dòng)變阻器的關(guān)鍵參考因素。首先，要選擇符合電壓和電流變化范圍的滑動(dòng)變阻器;其次，要考慮實(shí)驗(yàn)的安全性。由于滑動(dòng)變阻器阻值可變，且滑片沒有明確的阻值標(biāo)定，在操作中容易出現(xiàn)阻值調(diào)節(jié)范圍超出預(yù)定的情況，可能導(dǎo)致儀表器材出現(xiàn)毀損。最后，滑動(dòng)變阻器的使用應(yīng)該滿足準(zhǔn)確性的要求，即滑動(dòng)變阻器在實(shí)驗(yàn)線路中的接法應(yīng)該根據(jù)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需求來確定，避免滑動(dòng)變阻器因接入方法不合理而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

三、電路選擇

1.分壓電路

分壓電路是高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種常見電路，主要使用的實(shí)驗(yàn)器材包括電源、滑動(dòng)電阻、定值電阻、電壓表、電流表和開關(guān)。分壓電路可以對(duì)電源兩端的電壓進(jìn)行分別承擔(dān)，即滑動(dòng)變阻器承擔(dān)一部分電壓，定值電阻承擔(dān)一部分電壓。分壓電路的總電壓產(chǎn)生了分流，進(jìn)而降低了定值電阻的電壓損失，對(duì)提升實(shí)驗(yàn)精度具有積極作用。在實(shí)驗(yàn)中，分壓電路往往串聯(lián)著滑動(dòng)電阻和定值電阻，電壓表加在定值電阻兩側(cè)，電流表和定值電阻進(jìn)行串聯(lián)。具體接入法如圖1所示。

圖1 ?分壓電路實(shí)驗(yàn)接線示意圖

根據(jù)圖1所示，a，b兩端可以對(duì)定值電阻進(jìn)行供電，通過滑動(dòng)變阻器滑片實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。使用分壓接法時(shí)，定值電阻的阻值通常較大，滑動(dòng)變阻器可以在有效范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。分壓電路的特點(diǎn)如下：

（1）通過滑動(dòng)電阻和定值電阻的電流是相同的，即定值電阻電流、滑動(dòng)電阻電流、電流表電流及電源電流都是一致的。

（2）各電阻的電壓和等于總電壓。

（3）各電阻之和等于總電阻。

2.限流電路

限流電路和分壓電路在功能上具有明顯的區(qū)別，其對(duì)電路的電流進(jìn)行了限制，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，可以實(shí)現(xiàn)定值電阻電流的變化。由于兩種電路的器材使用一致，所以區(qū)別就在于變阻器的具體接法上。在限流電路中，滑動(dòng)變阻器和定值電阻是并聯(lián)的，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的接入阻值，可以實(shí)現(xiàn)定值電阻電路中電流的改變，限流電路的常規(guī)接入法如圖2所示。

圖2 ?限流電路實(shí)驗(yàn)接線示意圖

由圖2可知，限流電路和分壓電路的明顯區(qū)別就是滑動(dòng)變阻器的接法。根據(jù)限流電路的接法，定值電阻的阻值較小，滑動(dòng)變阻器首先處于最大阻值處，通過逐步調(diào)節(jié)使其達(dá)到合理狀態(tài)。

限流電路和分壓電路設(shè)計(jì)的基本思想存在著明顯區(qū)別，效用也存在較大差異。分壓電路有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，而限流電路則有更小的電能損耗。在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，這兩種電路都可以發(fā)揮其顯著效用，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

3.基本實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程在電學(xué)實(shí)驗(yàn)展開之前就應(yīng)該進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)。

首先，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)?zāi)康氖侵敢虒W(xué)活動(dòng)的關(guān)鍵因素，在展開電學(xué)實(shí)驗(yàn)前，就要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｈ纭靶襞莘蔡匦郧€”的實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪钦莆招襞莸姆蔡匦裕鞔_伏安關(guān)系。

其次，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的重要工作。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)該遵循三個(gè)基本原則：

（1）實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要確保可行性，即通過現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材能夠完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（2）進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作器材的選擇方法和標(biāo)準(zhǔn)作出規(guī)定。對(duì)于部分難度較大的實(shí)驗(yàn)，可以直接羅列出所需的實(shí)驗(yàn)器材。

3.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，簡化電路設(shè)計(jì)和器材的使用，降低實(shí)驗(yàn)操作難度。

最后，操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作過程可以分為三個(gè)步驟：一是挑選器材，二是連接電路，三是測(cè)量數(shù)據(jù)。學(xué)生如果能認(rèn)真執(zhí)行這三個(gè)基本步驟，就可以高效地完成電學(xué)實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)束語

高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)主要涉及器材和電路兩個(gè)方面的內(nèi)容。不論是器材選擇還是電路選擇，都應(yīng)該遵循從安全、適用、方便、準(zhǔn)確的基本原則，根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)、需要確定實(shí)驗(yàn)器材和電路，按照基本實(shí)驗(yàn)流程展開實(shí)驗(yàn)。電學(xué)實(shí)驗(yàn)只有依據(jù)一定的原則和規(guī)范，才能保證高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效。

參考文獻(xiàn)

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