高中物理電學實驗設計分析

張晟霆

(黑龍江省實驗中學，哈爾濱 150001)

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高中物理電學實驗設計分析

張晟霆

(黑龍江省實驗中學，哈爾濱 150001)

電學是高中物理的重要組成部分，電學實驗往往要進行電路的設計。電學設計性實驗是高中階段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，這對于運用所學知識解決實際問題的能力要求很高。

高中物理；電學；實驗；設計

1 高中電學中電路設計和儀器選擇

1.1 電路設計原理

利用滑動變阻器改變電路中的電流，用電流表和電壓表測量電路中小燈泡、金屬絲、變阻器的電流和電壓，然后用作圖法和計算法分別去描繪小燈泡的伏安特性曲線、計算出金屬絲的電阻率和電源電動勢和內阻。滑動變阻器、電流表和電壓表在電路中有不同的接法。

滑動變阻器電路的選擇。

其一，限流電路(如圖1所示)。

當移動滑動變阻器滑片時，可以改變電路中的電阻，從而控制用電器的電流和電壓。設電源電壓為E，用電器(小燈泡、金屬絲、變阻器)的電阻、電流、電壓分別為R、I、U，滑動變阻器的全值電阻為R0，

A.當滑動變阻器滑片P滑到右端時，用電器上U、I均為最大，最大值分別為E、E/R。

B.當滑動變阻器滑片P滑到左端時，用電器上U、I均為最小，最小值分別為ER/(R+R0)、E/(R+R0)。

綜上所述，限流電路的電流和電壓調節范圍分別為：

由上式可知，限流電路的電流和電壓調節范圍與滑動變阻器的全值電阻R0有關，在E、R一定的情況下，R0越大，電流和電壓調節范圍越大；當R0比R小得多時，電流和電壓調節范圍都很小。

圖1 限流電路Fig.1 Limited current circuit

圖2 分壓電路Fig.2 Bleeder circuit

其二，分壓電路(如圖2所示)。

A.當滑動變阻器滑片P滑到右端時，用電器上的U、I均為最大，其最大值分別為E、E/R。

B.當滑動變阻器滑片P滑到左端時，用電器上的U、I均為最小，其最小值分別為0、0。

綜上所述，限流電路的電流和電壓調節范圍分別為：

由上式可知，限流電路的調節范圍均與滑動變阻器的全值電阻R0無關。

1.2 實驗電路選擇

其一，在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中，因為小燈泡在實驗范圍內的電阻較小，所以采用電流表外接法，為使小燈泡上的電壓能在較大范圍內調節，變阻器采用分壓電路，實驗電路如圖3。

圖3 描繪小燈泡的伏安特性曲線實驗Fig.3 Volt-ampere characteristic curve experiment of a small bulb

圖4 測金屬絲的電阻率實驗Fig.4 Specific resistance of the wire test

其二，在“測金屬絲的電阻率”實驗中，因為金屬絲的電阻值較小，所以采用電流表外接法。由于電路對電流和電壓的調節范圍要求不大，變阻器在電路中采用限流電路，實驗電路如圖4。

其三，對于“測電源電動勢和內阻”的實驗，由于電池的內阻比電壓表內阻小得多，與電流表內阻差不多，所以采用電流表內接法。而且利用滑動變阻器改變電路中的電流，滑動變阻器在電路中采用限流電路，實驗電路如圖5。

圖5 測電源電動勢和內阻Fig.5 Power electromotive force and internal resistance test

1.3 電學設計性實驗的設計過程

其一，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。

其二，根據安全性、精確性、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RxRpm)，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。

1.4 電流表、電壓表測量電路的選擇

電流表、電壓表測量電路有電流表外接法(如圖6)和電流表內接法(如圖7)，由于電流表和電壓表內阻的影響，兩種電路的測量值和真實值之間存在誤差。設電壓表內阻為RV，電流表內阻為RA，待測電阻真實值為R，測量值為RN。

圖6 電流表、電壓表測量電路有電流表外接法Fig.6 Ammeter, voltmeter circuit measurement with ammeter external method

圖7 電流表內接法Fig.7 Ammeter internal connection method

其一，電流表外接法的相對誤差：

測量值 RN=U/I=RRV/(R+RV)

相對誤差N=(R-RN)/R =R/(R+RV) ≈R/RV

其二，電流表內接法的相對誤差：

測量值 RN=U/I=R+RA

相對誤差N=(R-RN)/R =RA/R

其三，兩種電路的誤差比較：為了測量精確，減小實驗誤差。

A.當(R/RV)>(RA/R)時應選擇電流表內接法電路。

B.當(R/RV)<(RA/R)時應選擇電流表外接法電路。

2 電學設計性實驗的基礎知識

2.1 動變阻器的連接

限流接法和分壓接法。如圖8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。

圖8 兩種電路Fig.8 Two circuits

圖9 半偏法測電阻Fig.9 Resistance measured by half deflection method

2.2 測電阻的基本方法

其一，恒流半偏法測電流表內阻，測量電路如圖9所示：

其二，操作步驟：

A.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。

C.讀出R的值，則RA=R。

[1] 鮑崇敬.提升中職物理電學實驗能力的策略[J].職業，2016，(29)：67-68.

Analysis of high school physical electricity experiment design

ZHANG Sheng-ting

(Heilongjiang Experimental High School, Harbin 150001, China)

Electricity is an important part of high school physics, and electrical experiments are often carried out in circuit design. Electrical design experiment is basic experimental skill that must be grasped in high school stage. The difficulty lies in the choice of equipment and circuit, which demands for the ability to solve practical problems.

High school physics; Electricity; Experiment; Design

2017-01-10

張晟霆(2000-)，男，學生。

G634

B

1674-8646(2017)05-0104-02