中職物理教學電學實驗分析研究

于愛萍

摘 要：通過對中職口腔修復工藝專業物理電學實驗的分析與研究及實例分析，使學生理解并綜合運用知識，解決儀器的選擇、連接、電阻測量的思想方法。

關鍵詞：中職物理電學實驗 電阻測量 器材選擇研究

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）12-0-02

引言

作為中等口腔衛生學校，解決口腔工藝專業技工室中的電學問題，最基礎的是如何準確進行電阻的測量、電流表的改裝、電源內阻和電動勢的測量等。電學實驗是教學的重點和難點，學會電阻測量及儀器選擇，對學生核心素養的提高，具有重要的作用。而學生在見到此類問題時常感到無從下手，本文將從各種電阻的測量來說明實驗器材的選擇及研究的思想方法。

一、電阻測量的總體思想

電阻測量的基本原理是利用了電阻的定義：R=U /I，所以測量電阻的核心是巧妙設計，準確測量加在電阻R上的電壓和通過電阻R的電流，這也就是我們通常所說的伏安法。

二、電流表的內接與外接

在伏安法測電阻的具體實踐中，由于電流表和電壓表內阻的存在，會對實驗結果產生系統誤差，為了減小電流表和電壓表內阻對實驗結果的影響，實驗中電路會有兩種不同的接法，即電流表的外接法和內接法。如圖1所示，甲圖為電流表的外接法，乙圖為電流表的內接法。

甲圖中電壓表測得的是電阻R上電壓的準確值，即U測=U真，而由于電壓表的分流，使得電流表測量的電流不是通過電阻R的準確值，即I測>I真，故當用R=U /I來計算時，電阻值則偏小。同理，在乙圖中由于電流表的分壓，電流值是真實值，而電壓值偏大，測量出的電阻值就偏大。以上測量產生的誤差，即系統誤差。要減小誤差，只有根據所給定的儀器來進行合理的接法選擇，這就要求我們對所給的儀器參數進行分析，設計合理的電路。

優化設計的目的是為了減小實驗誤差，設計的思想是看用哪種電路帶來的誤差較小。一般當電壓表內阻RV>>R時，由于電壓表的分流造成的誤差較小，電流較準確，用甲圖電路，即電流表的外接。當R>>RA（電流表內阻）時，由于電流表的分壓較小，電壓較準確，用乙圖電路，即電流表的內接。

三、滑動變阻器的接法與選擇

1.滑動變阻器的結構及連接

滑動變阻器是電學實驗中一個常用的儀器，它可以連續調節電路中的電流或用電器上的電壓。滑動變阻器有四個接線柱（如圖2），當A、B接入電路時，其電阻值是固定值。當A、D（或A、C）接入時，電阻值為A、P間的電阻。當B、C（或B、D）接入電路時，其電阻值為B、P間的電阻值，電阻隨觸點P的變化而變化。

如果在實驗中，只把A、D（或B、C）串入電路，此接法稱為限流接法，如果把A、B串入電路，而把用電器并在A、C（或B、D）之間，稱為分壓式電路。如圖3所示，甲圖為限流接法，乙圖為分壓式接法。

2.滑動變阻器兩種接法的選擇

（1）一般情況下，沒有很高的要求，僅從安全性和精確性角度分析，兩者均可采用時，可用安裝簡便、節能的限流式接法。

（2）有下列情況之一者必須選用分壓式接法

（A）要求回路中待測部分電路電流或電壓需要從零開始可連續調節的，即大范圍內測量時，必須采用分壓式接法。

（B）當用電器的電阻R遠大于滑動變阻器的最大值R0時，必須采用分壓接法。

（C）若采用限流接法，電路中實際電壓（或電流）的最小值仍超過用電器或儀表的額定值時，只能采用分壓接法。

四、儀表的選擇

儀表的選擇，一般遵循安全、精確的原則。

安全的原則要求：通過儀表的電流或電壓，不能超過其最大量程。保證電表的正常測量。

精確的原則要求：所估算的最大電壓值和電流值應在所用儀表滿刻度的2/3以上的位置，否則會造成讀數誤差過大。

五、應用分析

1.電阻的測量

例1、在“測定金屬的電阻率”的實驗中，電阻絲的電阻值約為40～50Ω，可供選擇的主要器材如下：

A.電壓表（內阻20kΩ，量程0～10V）；B.電流表（內阻約20Ω，量程0～50mA）；

C.電流表（內阻約4Ω，量程0～300mA）；D.滑動變阻器（額定電流1A、阻值100

Ω）；E.滑動變阻器（額定電流0.3A，阻值為1700Ω）；F.電池組（電動勢為9V，內阻為0.5Ω）。則：

（1）電流表應選________ ，滑動變阻器應選________。

（2）試畫出實驗原理圖。

解析：（1）首先我們選擇儀表，從題上看，電源電動勢是9V，待測電阻在40～50Ω間，可以估算通過待測電阻的電流最大值為225mA，故電流表應選C。

再看電流表與電壓表的接法，電壓表內阻是待測電阻的500倍，待測電阻是電流表內阻的10倍，所以選擇電流表的外接誤差較小。

最后看滑動變阻器的選擇和連接，題中沒有要求從零開始測量，也沒有多測幾組數據的要求，而且兩個滑動變阻器的電阻值都大于待測電阻值，故我們選擇滑動變阻器的限流接法即可，D和E的選擇上，我們選擇D即可，原因是D在調節上比E方便。

（2）設計電路原理圖（如圖4）。

2.電流表內阻的測量

電流表內阻的測量方法有多種，但要準確測量，還需用伏安法進行，但明確電流表是可以讀出自身電流的電阻，所以，問題的關鍵是如何準確測出電流表上的電壓值。

例2、某同學為了測電流表A1的內阻r1的精確值，有如下器材：電流表A1，量程300mA，內阻約為5Ω；電流表A2，量程600mA，內阻約為1Ω；電壓表V，量程15V，內阻約為3KΩ；定值電阻R0，阻值5Ω；滑動變阻器R1電阻0～10Ω，額定電流為1A；滑動變阻器R2電阻0～250Ω，額定電流為0.3A；電源E，電動勢為3V，內阻較小，導線、電鍵若干。

（1）要求電流表A1的示數從零開始變化，且能多測幾組數據，盡可能減少誤差。請設計實驗電路。畫出測量用的電路圖。

（2）若選測量數據中的一組來計算電流表A1的內阻r1，則所用電流表A1的內阻r1表達式r1=；

解析：（1）該題是測量電流表的內阻，題干中給了兩個電流表和一個電壓表，有同學就想到伏安法測量，并有幾種設想：

①用電流表A2 和電壓表V分別測出通過電流表A1的電流和電壓；

②電流表是可以讀出自身電流的，只要用電壓表V測出電流表A1 上的電壓即可；

③用半偏法進行測量。

第①中方法顯然不妥，因為伏安法測量是有系統誤差的，不能達到題中“精確值”的要求。而第②種方法也不妥，經估算，電壓表上的電壓降最多只有1.5V，可電壓表的量程是15V，讀數誤差會很大，實難精確測量。而第③種半偏法一是有系統誤差，二是提供的儀器不滿足半偏法實驗的要求（沒有電阻箱）。所以，我們就應該把問題重點放在如何準確測量待測電流表的電壓上。

題中給了一個定值電阻R0，我們利用并聯的特點，把R0與電流表A1并聯，如果知道已知電阻R0的電流，也就知道了R0上的電壓，同時就知道了待測電流表A1的電壓，如圖5甲所示。由于題中要求“電流表A1的示數從零開始變化”，于是選接滑動變阻器的分壓式接法，而題中給了兩個滑動變阻器，應選擇R1，這樣調節比較方便。測量電路如圖5乙。

（2）r1=（I2-I1）R0/I1

3.電壓表的內阻測量

電壓表的特點是電壓是可以從表上讀出的，通過巧妙的辦法測出通過電壓表上的電流是解決問題的關鍵。

例3：為了測量量程為3V的電壓表V的內阻（內阻約2000Ω），實驗室可以提供的器材有：①電流表A1，量程為0.6A，內阻約0.1Ω；②電壓表V2，量程為5V，內阻約3500Ω；③變阻箱R1，阻值范圍為0-9999Ω；④變阻箱R2，阻值范圍為0-99.9Ω；⑤滑動變阻器R3，最大阻值約為100Ω，額定電流1.5A；⑥電源E，電動勢6V，內阻約0.5Ω；⑦單刀單擲開關K，導線若干。

（1）請從上述器材中選擇必要的器材，設計一個測量電壓表V的內阻的實驗電路，在虛線方框中畫出電路原理圖，要求測量盡量準確。

（2）寫出計算電壓表V的內阻RV的計算公式為RV=____________。

解析：（1）此題好像把電流表和電壓表直接串聯就可以測量，但是，待測電壓表V允許通過的最大電流僅有1.5mA，遠沒有達到電流表滿量程的2/3的要求，讀數誤差會很大。所以要另行設計。重點是精確測出通過電壓表V的電流。我們可以把待測電壓表V與電阻箱串聯，再和電壓表V1并聯如圖5甲。電壓表V1可讀出變阻箱R與待測電壓表V的總電壓，這個總電壓減去V的電壓值，就是R上的電壓準確值，用歐姆定律求出通過R的電流值，即通過V的準確電流值，而待測電壓表V的電壓值可由自身讀出，也就可以用歐姆定律計算出其電阻的準確值，如圖5乙所示。變阻箱兩個，由于R2較小，為保護V，故選擇R1。由于被測量部分的電阻都很大，遠大于滑動變阻器的電阻，滑動變阻器不能控制電路電流的變化，所以應選擇滑動變阻器的分壓式接法，如圖5乙。

（2）電壓表V的內阻RV的計算公式：RV=R1 V /（V1-V2）

從上面的例子可看出，電路測量及儀器的選擇是對電學知識的綜合應用，它有效的考察了學生知識綜合應用能力和分析問題解決問題的能力。但如果能抓住基礎，仔細審題，全面分析，就能迎刃而解。