高中物理電學設計性質實驗處理技巧

袁世維

摘要：電學實驗是高中實驗教學的重點內容，是高考的必考題型之一。電學設計性實驗的難點在于對器材和電路的選擇，這對學生應用所學知識解決實際問題能力要求很高。

關鍵詞：電學設計性實驗；基礎知識；系統誤差分析

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2016）04-0294-02

電學實驗是高中實驗教學的重點內容，是高考的必考題型之一。電學實驗往往要進行電路的設計過程，使相當一部分學生對這種題型產生了畏懼心理。電學設計性實驗是高中生必須掌握的基本實驗技能，其難點在于對器材和電路的選擇，這對學生應用所學知識解決實際問題能力要求很高。為幫助學生更有效地掌握這類題型，我主要從電學設計性實驗的整體把握方面和系統誤差分析做一歸納整理，以期望對該難點突破起到一定的作用。

1.電學設計性實驗難點的形成原因

（1）對滑動變阻器的限流、分壓兩種接法的原理把握不準，導致控制電路選用不當。（2）對電學實驗的基礎內容"測量電阻"的基本方法無明確的歸類，導致思路混亂。（3）對于創新型設計性實驗的突破方法不明確，在全新的實驗情景下，找不到實驗設計的原理，無法設計合理可行的方案。

2.電學設計性實驗的設計過程

（1）從實驗原理入手。如測電源的電動勢和內阻的原理是閉合電路的歐姆定律。

（2）根據"安全性"、"精確性"和"方便性"原則，選擇實驗儀器和確定測量電路。

安全性：主要指電路中的電流不能超過最大值；電流表、電壓表不能超量程使用。這就要估算電路中的最大電流（電壓）或根據用電器的額定電壓（電流）來選擇電表的量程。

精確性：為減小讀數誤差，電表使用時，盡可能使指針指在滿刻度的一半左右；伏安法測電阻要考慮電流表的接法。

方便性：主要指滑動變阻器的選擇和接法。首選限流接法，限流接法簡單，電路消耗的電能較少；測量小電阻時用限流接法（測量電阻的阻值跟滑動變阻器的總阻值相比相差不大或Rx>Rpm），移動滑片對電路幾乎沒有影響，必須用分壓接法；要求被測電路電壓可調范圍大（特別是從0開始連續調節），必須用分壓接法。如測干電池的電動勢和內阻的實驗，只能用限流接法。測小燈泡的伏安特性實驗，校對改裝后的電表實驗只能用分壓接法。

3.電學設計性實驗的基礎知識

3.1動變阻器的連接：限流接法和分壓接法。如圖所示的兩種電路中，滑動變阻器（最大阻值為Rm）對負載RL的電壓、電流起控制調節作用，通常把圖甲電路稱為限流接法，它是把滑動變阻器串聯在電路中。圖乙電路稱為分壓接法，它是從滑動變阻器上分出一部分電壓加在待測電阻上。（忽略電源內阻）RL上電壓調節范圍為：限流接法：[E·RL/（RL+Rm）]～E，分壓接法：0～E。比較兩種接法可知：限流接法電路簡單、省電，但電壓調節范圍較小；分壓接法電壓調節范圍較大。

限流法中，RL上電壓調節范圍為[E·RL/（RL+Rm）]～E ，.顯然，當Rm<>RL時，滑動觸頭在滑動的過程中，先是電流表、電壓表的示數變化不大，后來在很小的電阻變化范圍內，電流表、電壓表的讀數變化很快，也不方便讀數，只有當RL與Rm差不多大小時，才能對電流、電壓有明顯的調控作用。分壓法中，RL上電壓調節范圍為0～E，且Rm相對于RL越小，RL上的電壓變化線性就越好.當Rm>>RL時，盡管UL變化范圍仍是0～E，但數據幾乎沒有可記錄性。因此，分壓接法要用全阻值較小的滑動變阻器。

3.2電表的改裝。小量程電流表改裝成電壓表是根據串聯電阻分壓原理，如圖a所示。小量程電流表改裝成電流表是根據并聯電阻分壓原理，如圖b所示。表頭改裝成歐姆表是根據閉合電路的歐姆定律I=ERg+R+r+Rx，如圖c所示。

通過電表的改裝明確電壓表、電流表在電路中的作用。實際電表在電路中擔當兩個角色：測電壓、電流的儀器和定值電阻。理想電表在電路中只是測電壓、電流的儀器。

3.3測電阻的四種基本方法

方法一：伏安法測電阻。該方法的原理是部分電路的歐姆定律，測量電路有兩種接法。

（1）電流表外接法，電路如圖1所示

根據R測=UVIA=UXIV+IX

（2）電流表的內接法，電路如圖2所示

根據R測=UVIA=UA+UXIX

在測電阻的方法中，伏安法最為基礎。若用伏安法測電阻必須考慮電流表的接法，究竟要采用那種接法誤差小，可根據以下方法來判斷：阻值比較法或試探法，如圖3所示。

方法二：歐姆表測電阻。該方法的原理是閉合電路的歐姆定律。

方法三：等效替代法測電阻

（1）測量電路如圖所示

（2）操作步驟：

①將滑動變阻器R1的阻值置于最大處；將S撥向接點1，調節R1使電流表示數為I；②將電阻箱R2的阻值調至最大，S撥向接點2，保持R1不變，調節R2，使電流表示數仍為I；③讀出電阻箱的示數，就等于待測電阻的阻值。

替代法測電阻的原理是閉合電路的歐姆定律：①步驟中，由閉合電路歐姆定律得I=ER+R1+Rg+r ，②步驟中，仍由閉合電路歐姆定律得I=ER2+R1+Rg+r

由等量代換可得R=R2。同時清楚使用的典型元件：電阻箱，監控電流表。

方法四：半偏法測電阻

（1）恒流半偏法測電流表內阻，測量電路如圖所示

（2）操作步驟：

①電位器阻值先調到最大；閉合S1斷開S2，調節R1，使 的示數滿偏為Ig；

②保持R1不變，閉合S2，調節電阻箱R，使 的示數半偏為Ig2；

③讀出R的值，則 RA=R。

恒流半偏法測電流表內阻的原理是閉合電路的歐姆定律：②步驟中，當通過電流表的電流為Ig/2時，認為通過電阻箱的電流也等于Ig/2，這就要求在閉合S2前后，電路中的總電流保持Ig不變，這只能是一個近似結果。要I2≈I1=Ig ，則RA <

通過誤差分析， U#=Ig2·RA=（I2-Ig2）R>Ig2R，所以測量值偏小。同時清楚使用的典型元件：電阻箱，電位器（阻值很大的滑動變阻器或電阻箱），電動勢大的電源。

（3）恒壓半偏法測電壓表內阻，測量電路如圖所示

（4）操作步驟：

①把滑動變阻器R1的滑片滑到b端，將電阻箱R的阻值調到零；閉合開關S，

移動滑動變阻器的滑片位置，使電壓表的示數滿偏；

②保持R1的滑片位置不變，調節R的阻值使電壓表示數半偏；

③讀出R的阻值，即為電壓表內阻RV的測量值；

恒壓半偏法測電壓表內阻的原理也是閉合電路的歐姆定律：②步驟中，當電壓表的示數為Um/2時，認為電阻箱的電壓也等于Um/2，這就要求在接入電阻箱R前后，并聯電路中的電壓保持Um不變，這只能是一個近似結果。要U#=E-I（r+Ra）不變，即要I2≈I1 ，則Rv>> Rb （滑動變阻器盡可能小）

通過誤差分析，IV=Um2/RV=（U并2-Um2）/R> Um2/R，所以測量值偏大。同時清楚使用的典型元件：電阻箱，阻值小的滑動變阻器。

參考文獻：

[1]曾文婕.課堂教學設計.北京師范大學出版社，2011.

[2]陶昌宏.高中物理教學理論與實踐.北京師范大學出版社，2008.