復習電學實驗儀器的常規使用和遷移利用

陳艷嬌++黃忠仙

摘 要：本文結合簡單的例題對電學實驗中基本儀器的常規使用和遷移利用進行歸納總結，以期在電路設計中能巧妙轉換實驗儀器的功能和角色，并起到舉一反三、觸類旁通之功效。

關鍵詞：電路設計；電學儀器；常規使用；遷移利用

高考中出現的電學實驗試題題型種類繁多，題目新穎多變。然而，試題都還只是源于教材，當然也高于教材。高考考查基礎實驗知識、基本實驗技能、基本實驗方法總體上是不變的，所以我們不能死記硬背、照搬課本實驗電路圖。我們只有真正理解各實驗儀器、實驗原理和實驗方法，歸納總結電學實驗的基本模型，才能達到靈活運用學過的實驗理論、實驗方法和實驗儀器去處理實驗相關問題的能力。

基本儀器是完成實驗的要件，它的常規使用是實驗考核的基礎內容。近幾年設計型實驗是高考實驗題的熱點，而掌握這些基本儀器的遷移利用又是設計實驗的基礎。本文將結合簡單的例題對電學實驗中基本儀器的常規使用和遷移利用進行歸納總結。

1 電源

電學實驗中絕大多數用的是直流電源，電源在實驗電路中起供電作用。電源的選擇應根據用電器的需要，一般考慮用電器所需的電壓和允許電流等。在不超過待測器材所允許的最大電壓值的情況下，為了能做到多組測量，選擇電動勢較大的電源。在相同電動勢情況下，為了能獲得穩定的電壓，選擇內電阻較小的電源（測電源內阻除外）。

2 定值電阻

定值電阻并聯在電路中能起分流作用，串聯在電路中能起分壓作用。定值電阻遷移利用的掌握對提高解答設計性實驗題的能力是至關重要的。定值電阻主要有以下幾個遷移利用：

（1）作保護電阻（即保護電路）

若電路中待測元件（測量電路）兩端允許的最大電壓比電源電動勢小的較多，則測量電路不能直接接在電源（供電電路）兩端，需要在測量電路或干路上串一個適當阻值的定值電阻作為保護電阻或限流電阻。

例：如圖1所示，兩個電流表量程為0.6A，內阻均小于1Ω，則兩電表兩端最大允許加的電壓為1.2V。若提供的電源的電動勢為6V。則需串一個電阻作為保護電阻：如圖2所示（定值電阻與測量電路串聯）或如圖3所示（定值電阻串在干路上）。

（2）使兩表量程匹配（搭配合理）

在電學實驗中，為減小誤差往往需要多組測量且要求電表的讀數盡量大（如超過1/3的滿偏）。為了滿足實驗的要求兩表的量程要匹配——兩表最好能同時達到滿偏。

例：如圖4所示，如果當電流表滿偏了，而此時電壓表才偏轉滿偏的1/3或更小。如果要多次測量只能把電流變小，但這樣會使電壓表的偏轉更小，即電壓表讀數的相對誤差較大，這種情況認為兩個電表不匹配，解決方法：

①如果電流表內阻已知，可以用定值電阻把電流表擴量程，如圖5所示。

②用定值電阻與電流表串聯擴大分壓，如圖6所示。

（3）測電表內阻作為比較電阻

例：待測電流表A1內阻約為5Ω，量程300mA。給一個A2電流表內阻約為1Ω，量程600mA。沒有或沒有與待測電流表A1匹配的電壓表。如圖7所示，選5Ω的定值電阻與電流表A1并聯，通過兩并聯支路的電流比與電阻成反比，即可求電流表A1的內阻。這種作用也可理解為定值電阻當電壓表。

例：如圖8所示，測電壓表V1內阻：定值電阻與之串聯作比較電阻，根據兩表讀數U1和U2，則有■=■，可求電壓表V1的內阻。

作為比較電阻的定值電阻的阻值應與待測元件的阻值相差不大（在同一量級），否則實驗誤差很大，或實驗無實際操作性。如圖8所示，設定值電阻為10Ω，而電壓表V1內阻約10kΩ，那么定值電阻獲得實際電壓值可能僅在電壓表讀數的誤差位上，則由于讀數等誤差甚至電壓表V1的讀數略大于電壓表V2的讀數！

（4）與理想電表并聯（或串聯）替代電流表（或電壓表）

例：如圖9所示，定值電阻R與理想電壓表并聯部分可以作為電流表；如圖10所示，定值電阻R與理想電流表串聯部分可以作為電壓表。

3 電阻箱

（1）電阻箱的常規使用

和其它儀器一樣，使用電阻箱時要特別注意通過電阻的電流不能超過允許的最大數值。電阻箱開始應處于阻值最大狀態，另外調節電阻箱無論從小阻值調到大阻值還是從大阻值調到小阻值都要先讓電阻變大再變小，這樣可以有效防止短路。若原先接入電路的阻值為80580.2Ω要把它值變為9580.2Ω，應該先調到89580.2Ω，再調為9580.2Ω。而不是先把萬位的8調到0，這樣電阻值就突然變小為580.2Ω！

（2）電阻箱的遷移應用

電阻箱是阻值可以改變的定值電阻，所以它具有定值電阻的所有遷移作用。同時由于阻值可變，在等效替代法測電阻中電阻箱起替代待測電阻的作用。如圖11和圖12所示，利用單刀雙擲開關可以實現電阻箱替代待測電流表（或其它待測元件），若電路的電流或電壓效果相同（電流表A和電壓表V讀數不變），則待測電流表的內阻等于接入電路中電阻箱的阻值。

4 滑動變阻器

滑動變阻器電阻連續可調，但其阻值不能精確可讀，因此滑動變阻器不能當作已知電阻使用。它在電路主要是起控制電路作用。

（1）滑動變阻器的基本接法及選擇

①限流接法 如圖13所示，滑動變阻器部分串聯接入電路，實物連接：金屬棒兩端和線圈兩端的接線各取一個串聯到電路（如圖15中有AC、AD、BD、BC這四種接法，也就是所謂“一上一下”。）實驗開始前，應將滑動變阻器的滑片滑到最左端，即開始時使負載部分電路兩端的電壓最小。

限流接法負載電阻兩端的電壓和電流不能從0開始變化。滑動變阻器阻值比負載電阻大得越多，負載電阻獲得電壓范圍越小，但電壓變化越均勻；為兼顧兩者限流接法要選用最大阻值略大于負載電阻（約2—5倍）。

②分壓電路 如圖14所示，滑動變阻器全部接入電路（部分在支路，部分在干路）。實物連接：線圈兩端的接線柱（如圖15中的A和B）全部接入干路，金屬棒兩端和線圈兩端的接線柱各取一個接負載電路（如圖15中負載電路接在AC間，AD間，BD間或BC間）。實驗前，應將滑動變阻器的滑片滑到如圖所示的最左端，即使負載部分電壓最小。

分壓接法負載部分電壓和電流可以從0開始變化；負載電阻獲得電壓范圍與滑動變阻器的阻值無關，但滑動變阻器的阻值越小，負載電阻的電壓變化越均勻。分壓接法一般最大阻值小于負載電阻（約0.2—0.5倍）。

不論哪種接法，首先應該考慮滑動變阻器的額定電流，流過它的實際電流不能超過規定電流！

（3）必須使用分壓式接法的三種情況 [1，2 ]

●題目中明確要求待測電阻兩端的電壓（或電流）從零開始連續可調，必須用分壓接法；

●待測電阻Rx與變阻器R相比過大，限流接法測量范圍過小，無法做到多組測量，必須用分壓接法；

●若用限流式接法，電路中的最小電流仍大于某個串在電路中的用電器（如電流表）的額定電流（或最大量程），則必須用分壓式接法。

例：如圖16所示為描繪某電學元件的伏安特性曲線的電路圖，定值電阻R用于限流；電源電動勢E為12V，內阻不計。

（1）實驗時有兩個滑動變阻器可供選擇：

a. 阻值0到200Ω，額定電流0.3A

b. 阻值0到20Ω，額定電流0.5A

本實驗應選的滑動變阻器是 （填“a”或“b”）（本例題由2007年江蘇高考物理卷第12題改編）

解析：從滑動變阻器的阻值上看，阻值為0到20Ω的變阻器調節過程中，待測元件兩端的電壓變化更均勻。但通過該滑動變阻器的電流可達到I=■=■=0.6（A），超過它的額定電流，滑動變阻器可能燒毀！所以滑動變阻器應選a。

5 電表

（1）常規使用 [3 ]

電表是電學實驗中主要的測量儀器，要了解電表的量程、精度、使用注意事項和讀數方法。

實驗時要根據實驗的具體情況選擇適當量程的電表。對于電壓表和電流表，如果選擇的量程太小，電表超量程使用會損壞儀器；若選用量程比實際的測量值大太多（超過3倍），測量結果的相對誤差就比較大，選擇的量程最好在表安全工作情況下有較大的偏轉（至少達到滿偏的1/3）。而使用多用電表測電阻時，選擇的檔位應使示數在電表的中值附近更為精確。

電表的精度（即儀器的最小分度值）影響測量結果的有效數字的位數。電表的讀數原則：最小刻度是10分度，估讀到最小刻度的下一位；最小刻度不是10分度讀到最小刻度位，根據儀器的最小分度可以分別采用1/2、1/5的估讀方法。

如圖17所示是電壓表的刻度盤。若使用的是該表的0-3V量程，該量程最小刻度是0.1V，是10分度的，因此要向下估讀一位，讀1.15V（由于最后一位是估讀的，有偶然誤差，讀成1.14V-1.17V之間都算正確）。若使用0-3V量程時，若指針恰好指在2上，則讀數為2.00V。若是0-15V量程，最小刻度為0.5V，按1/5的估讀方法，所以讀5.7V（5.6V -5.8V之間都算正確）。

如圖18所示是電流表的刻度盤。若使用的0-3A量程，電流表讀數為1.88A；若使用的0-0.6A量程，最小刻度為0.2A，按1/2的估讀方法，所以讀0.37A。

（2）電表的遷移利用 [4 ]

電表實質是會“說話”的電阻。它能“自報”流過自身的電流或加在自身兩端的電壓。因此，要注意到其自身電阻對電路的影響；另外，如電流表內阻是已知的，根據歐姆定律可以求得加在電流表兩端的電壓，此時電流表也就相當電壓表；同理，若電壓表內阻是已知的，電壓表也就相當電流表。即內阻已知的電表角色可以互用。利用這一特點，測電阻的伏安法可拓展為伏伏法和安安法等。如圖19和圖20所示，用已知內阻的電壓表V1當電流表測未知電阻和電壓表V2的內阻；如圖21和圖22所示，用已知內阻的電流表A1當電壓表測未知電阻和電流表A2的內阻。

已知內阻的電表還可以與定值電阻配合改變量程（參見定值電阻部分）。

近幾年的高考中，實驗命題不再局限于課本，出現了一些利用教學大綱所列的實驗的原理、方法、器材重新組合的實驗考題來考查遷移能力。因此，掌握好物理實驗儀器的常規使用和遷移應用，才可能進而應用學過的原理和方法去創新設計實驗，處理與實驗相關的問題。

參考文獻：

[1]沈晶，丁劍波.分壓式電路中滑動變阻器的選擇[J].物理教學探討，2010（1）：47-48.

[2]李琴，吳彬彬.分壓式接法中滑動變阻器選擇的誤區[J].物理通報，2014（3）：88-89.

[3]方青松.培養高中生物理實驗數據處理能力的研究[D].廣州：2012，華南師范大學.

[4]陸光華.2012年江蘇高考電學實驗復習策略的思考[J].中學物理（高中版），2012，30（6）：44-45.