高中電學實驗中電路設計的分析與探討

蔡明果

【摘 要】高中電學實驗是高考的一大重點內容，也是高中學習的難點所在，難住了許多同學。本文根據個人學習中的問題和其他同學的普遍反映，通過與老師進行溝通并仔細分析教材及參考書，總結整理了電學實驗中的一些基本知識和重點難點，希望這些個人整理總結能對同學們記憶理解電學實驗、進而成功應對高考的挑戰有所幫助。同時整理了電學實驗設計的一般過程，希望能幫助其他同學明確實驗設計的思路，理解實驗設計，在解題中靈活運用。

【關鍵詞】高中實驗；電路知識；電路設計

引言

高中電學實驗是同學們較難掌握的一系列知識點。很多同學反映由于知識結構不清晰，對基礎知識的把握不到位，往往對于老師講過的內容不能形成一個系統整體的認識，而對其中需要注意的細節問題又經常做不到全面考慮，導致理論知識不清晰，實驗設計和操作就不容易把握。因此，學習理解電路設計實驗要從練習掌握必要的知識，熟悉常見問題，關注實驗設計的思路和步驟入手。在諸多電學實驗中，電阻的測量是一個主要實驗方面，下面就舉例陳述測量電阻中的一些知識問題。

1.電路實驗需要的基本知識

1.1選擇合適的元件

在進行電路實驗的過程中，首先要選擇適合的元件，其中包括元件的量程、型號。主要是電源和電表的選擇，電源和電表的量程選擇首先考慮要大于電路的最大電流或電壓，然后在不超過量程的前提下，盡量選擇小量程以提高精確度。

1.2準確把握各個電路元件的使用方法和規則

電表的讀數是一個易錯點，因其表盤的特殊性，兩個量程的讀數在同一表盤上，在讀數時容易看錯量程和估讀值。滑動變阻器的使用也需要注意，下面兩個加上面一個接線柱是分壓接，一下一上是限流接，分壓時使用的是全部電阻，限流時只使用部分電阻，其余是閑置的。而由于電流表的分壓作用和電壓表的分流作用，電表的讀數并不總是準確的，在不可避免的誤差前，我們需要通過計算分析，選擇誤差產生較小的方案，于是電流表什么時候需要外接，什么時候需要內接，都需要具體分析。在待測電阻阻值遠小于電壓表的內阻阻值時，可以忽略電壓表的分流作用，選擇電流表外接電路，而在待測電阻阻值遠大于電流表內阻時，電流表的分壓作用就可以忽略，于是選擇電流表內接電路。

1.3熟悉電路構成，加強對特殊電路的記憶與理解

伏安法測電阻的電路是非常重要的一個知識點，其中涉及分壓電路的選擇和使用。這里展開分壓式的適應情況和不適情況，一般來說，限流式電路更為簡單有效，而分壓式電路誤差更小，用途更廣，在一些特定情況下必須要選擇分壓式電路設計。必須選擇分壓式電路的情況有：當要求電路中的電壓或電流從0變化時；當待測電阻的估計值遠大于滑動變阻器的最大量程時；當限流的最小值仍大于待測電阻的額定最大值時。在這些情況下都是必須選擇分壓式。而在沒有這些特殊要求時，一般來說限流分壓都是可以選擇的。

1.4常用測量方法

測電阻的常用方法主要有：歐姆表，替代法，伏安法，比例法，半偏法等。歐姆表是最直接的方法，在多個電阻的測量中最常用。替代法也是很有效的一種方法，基本思想是等效替代，可以采用電流等效也可以采用電壓等效原則，在有合適電阻箱的情況下可以很容易測量出電阻值。伏安法是最常用最重要的一種方法，原理是歐姆定律，這種方法可以有多種變式，如可以選擇限流法和分壓法電路，在只有一個電表時，可以用標準電阻代替，如果已知了電表內阻，還可以把電流表當做電壓表使用，把電壓表當做電流表使用而只需進行一些簡單變式計算。比例法的思想在許多地方都有應用，如曹沖稱象，原則是在已知標準量的情況下，找出待測量與標準量之間的比例關系，就可以得出待測量的具體數值。

2.電路設計的一般思路

2.1確定實驗目的

在實驗設計前，前提是首先確定實驗目的。實驗目的給了設計者一個目標和方向，更是檢驗實驗是否成功的對照標準，沒有目的的實驗是沒有意義的。

2.2選擇設計方案

根據實驗目的，依據相關的物理知識選擇實驗方案并作出原理結構圖。在設計實驗方案的過程中要進行相關的計算分析，這些對于電路的結構設計，元件的選擇都是必要的。包括電流表應設計內接還是外接，滑動變阻器應采取分壓式接法還是限流式接法，電路結構原理選擇伏安法還是半偏法等等。

2.3選擇合適的實驗器材

確定了實驗的目的和方案，就可以依據計算和設計方案進行器材的選擇了。器材的選擇要遵循幾個原則，分別為安全性原則，準確性原則，操作實用性原則。安全原則主要是避免燒毀現象，需要考慮到哪些部分可能會出現燒毀現象，一般最主要的是看量程和電路結構的合理性。準確性原則是為了保證實驗結果的最大可靠性，盡量減少實驗器材引起的誤差，包括選擇更精確的量程電表。操作實用性原則是指實驗設計方案需要考慮實際操作，如滑動變阻器的選擇中，當使用限流式電路時，滑動變阻器的一部分是使用不到的，這時候如果選用不適合的滑動變阻器，就會出現電阻變化不易控制的問題，這種問題在設計方案時是不需要考慮的，但在器材選擇中就需要注意了。

3.結束語

電路實驗的設計是對于電學知識的一種檢驗也是一種深化。實驗設計的前提是知識的掌握，而設計的成功需要同學們在頭腦中形成一個清晰的知識脈絡。實驗設計是對基礎知識的一個整體反映，設計的思路是來源于知識的網絡結構的。正如你需要了解電路結構和原理，才能去選擇合適的方法，你能夠計算出測量的理論數值，才能夠去選擇合適的實驗器材。因此，實驗設計首先要扎實知識基本功，這一點是同學們進行實驗設計的過程中需要時刻牢記的。

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