貴州省首屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)技能競賽基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)試題的解答與考試評(píng)析

湯燕 魏曉楠

摘 要：貴州省首屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)技能競賽基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)試題為“電表的擴(kuò)程、校準(zhǔn)與使用”，文章介紹競賽試題的部分答案，并對(duì)參賽學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考試結(jié)果進(jìn)行評(píng)析。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽；電表的擴(kuò)程；擴(kuò)程電表的使用

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）11-0053-03

Abstract： The basic physics experiment question of the first undergraduate physics experiment skill competition in Guizhou province is "the expansion， calibration and use of electric meter". This paper introduces experimental content， experimental principle and some answers to the contest questions， and evaluates the examination results of the participants.

Keywords： the physics experiment competition of college students； the expansion of the meter； use of extended range meter

一、概述

貴州省首屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)技能競賽由貴州省物理學(xué)會(huì)主辦，由貴州大學(xué)物理學(xué)院承辦，于2016年7月24-25日在貴州大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心舉行。舉辦大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽是為激發(fā)我省大學(xué)生對(duì)物理學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)的興趣，提升大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高大學(xué)生知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和實(shí)踐能力，同時(shí)提供我省各高校師生進(jìn)行教和學(xué)的交流平臺(tái)。競賽提倡“重在參與，注重過程”，促進(jìn)各高校大學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)與綜合素質(zhì)培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合，為拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供發(fā)展平臺(tái)。來自貴州省各院校的11個(gè)代表隊(duì)的44名大學(xué)生選手參加了本次競賽。競賽命題分為基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)和綜合性、研究性物理實(shí)驗(yàn)題2類。本次實(shí)驗(yàn)競賽既突出物理基礎(chǔ)又充分體現(xiàn)大學(xué)生的實(shí)踐能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。各代表隊(duì)由2人分別單獨(dú)參加3h的基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)競賽；2人合作參加4h的綜合性、研究性物理實(shí)驗(yàn)競賽，經(jīng)評(píng)審專家組的評(píng)審和競賽組委會(huì)審議，評(píng)選一等獎(jiǎng)1名，二等獎(jiǎng)2名，三等獎(jiǎng)3名，優(yōu)秀獎(jiǎng)5名。

二、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的解答

貴州省首屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)試題為“電表的擴(kuò)程、校準(zhǔn)與使用”，目的是綜合考察考生對(duì)基本的實(shí)驗(yàn)儀器的使用的熟練程度、物理實(shí)驗(yàn)方法的理解、掌握水平和綜合分析應(yīng)用能力。考生1人獨(dú)立完成，限時(shí)3小時(shí)。

（一）試題：電表的擴(kuò)程、校準(zhǔn)與使用

1. 實(shí)驗(yàn)儀器

（1）磁電式電表頭；（2）萬用電表；（3）直流穩(wěn)壓電源；（4）滑線變阻器；（5）電阻箱；（6）雙擲開關(guān)；（7）單擲開關(guān)；（8）導(dǎo)線若干；（9）電阻若干。

2. 實(shí)驗(yàn)原理

（1）將表頭改裝成電流表。一般表頭的量程是很小的，當(dāng)要測(cè)量較大的電流時(shí)，可在表頭的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻Rp，使超過表頭能承受的那部分電流從Rp流過，從而擴(kuò)大電表的電流量程。

設(shè)改裝后電流表的量程為I，由按歐姆定律可得（I-Ig）Rg=IgRg，其中Ig、Rg由實(shí)驗(yàn)室給出，根據(jù)需要的電流表量程，可算出應(yīng)并聯(lián)的電阻值Rp。若將表頭的量程擴(kuò)大n倍（n=），則分流電阻為

由此可見，在同一表頭并聯(lián)不同大小的分流電阻Rp，就可以得到不同量程的電流表。

（2）改裝后的電表校正及標(biāo)稱誤差。電表擴(kuò)程后必須經(jīng)過校準(zhǔn)才能使用，校準(zhǔn)方法是將改裝后的電表與標(biāo)準(zhǔn)表，同時(shí)對(duì)同一個(gè)對(duì)象（如電流或電壓）進(jìn)行測(cè)量和比較。

a. 量程的校準(zhǔn)。電流表的校準(zhǔn)按圖1接線，標(biāo)準(zhǔn)表的量程必須等于或大于改裝表的量程。調(diào)節(jié)A，B兩端電壓以及Rp，以使得校準(zhǔn)表讀數(shù)I為被較表的量程、被校表指針指在滿偏位置上。

b. 刻度的校準(zhǔn)。如圖1所示，在校準(zhǔn)量程的基礎(chǔ)上，通過改變A，B兩端電壓，使被校電表與標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)從大到小，再從小到大地逐漸變化，每隔一定間隔，分別記下兩表的讀值。

通過校準(zhǔn)，得出被校表各個(gè)指示值Ix和標(biāo)準(zhǔn)電表對(duì)應(yīng)的指示值Is，得到該刻度的修正值x（x=Is-Ix），根據(jù)修正值畫出電表校準(zhǔn)曲線（以Ix為橫坐標(biāo)，Is為縱坐標(biāo)的修正折線圖），兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)之間用直線連接，整個(gè)圖形是修正值折線狀，選取其中最大的絕對(duì)誤差除以量程，即為該電表的標(biāo)稱誤差，故

標(biāo)稱誤差=（最大絕對(duì)誤差/量程）×100%

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1. 將量程為1mA的表頭擴(kuò)至10mA

2. 將1mA的表頭改為0～10V的電壓表。

3. 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室提供的電阻設(shè)計(jì)一個(gè)電路，應(yīng)用擴(kuò)程的電表進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證基爾霍夫電流定律：在任一瞬時(shí)，流向某一結(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于由該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和，即：

I=0，表格自擬（根據(jù)電流表的量程選擇適當(dāng)電阻）。擴(kuò)程電壓表的校準(zhǔn)方法與電流表的校準(zhǔn)方法類似，這里主要介紹表頭擴(kuò)程為電流表、校準(zhǔn)擴(kuò)程電流表及運(yùn)用。

4. 實(shí)驗(yàn)步驟

將量程為1mA的表頭擴(kuò)至10mA：

a. 由（1）式算出分流電阻Rp的數(shù)值。

b. 校準(zhǔn)擴(kuò)程后的電表：先調(diào)準(zhǔn)零點(diǎn)，再校準(zhǔn)量程，再校準(zhǔn)刻度，刻度的校準(zhǔn)可均勻地取5～10個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)的電路如圖1所示。分流電阻Rp用電阻箱充當(dāng)，R1、R2是滑線變阻器，E為電源電壓。

c. 校準(zhǔn)量程，接通直流電源，調(diào)節(jié)電源電壓E=12，合攏開K ，調(diào)節(jié)R、Rp，使兩表同時(shí)達(dá)到滿程，若兩表不能同時(shí)到達(dá)滿程，調(diào)節(jié)電阻Rp值，使兩表同時(shí)到達(dá)滿程，再記下實(shí)際電阻值R'p。

d. 校準(zhǔn)刻度，調(diào)節(jié)滑線變阻器，使電流從小到大（0～10mA）校準(zhǔn)6個(gè)刻度值，然后電流從大到小（10～0mA）重復(fù)一遍，以待校表的刻度值為準(zhǔn)，測(cè)出各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)并記錄。

e. 計(jì)算出x的平均值，再計(jì)算出此表的標(biāo)稱誤差并作出x-x圖。

（三）數(shù)據(jù)處理

1. 將量程為1mA的表頭擴(kuò)至10mA

2. 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室提供的電阻設(shè)計(jì)一個(gè)電路，應(yīng)用擴(kuò)程的電表進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證基爾霍夫電流定律（電路僅供參考）

電路的設(shè)計(jì)可有多種形式，這里列舉其中一種，如圖2所示。將5個(gè)電阻連接成有節(jié)點(diǎn)，有支路的電路，電阻值如表3所示。用擴(kuò)程后的電表分別測(cè)出各支路的電流，填入表4中，再根據(jù)電流表的校準(zhǔn)曲線修正電表讀數(shù)。

3. 結(jié)論：

I1為流入，取正值；I2、I3為流出，取負(fù)值，則I1+I2+I3=0.019≈0

從而驗(yàn)證了基爾霍夫電流定律：在任一瞬時(shí)，流向某一結(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于由該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和，即：

（四）競賽結(jié)果評(píng)析

競賽中發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在以下問題

1. 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)——校準(zhǔn)量程

電表的校準(zhǔn)操作中，很重要的一步是校準(zhǔn)量程，在操作中需要保證被校準(zhǔn)表和標(biāo)準(zhǔn)表不能超過滿偏，而校準(zhǔn)好量程時(shí)，兩個(gè)表的指針同時(shí)指向滿偏。為了不使任何一表超過滿偏，可調(diào)節(jié)R1、R2，使得兩電流表指針保持在量程范圍內(nèi)，接近需要擴(kuò)程的10mA。同時(shí)調(diào)節(jié)分流電阻Rp，使被校準(zhǔn)表與標(biāo)準(zhǔn)表指示一致，再調(diào)節(jié)R1、R2，使兩表同時(shí)滿偏，這時(shí)，量程就校準(zhǔn)好了。在實(shí)驗(yàn)競賽中，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對(duì)于這部分的操作有困難，主要原因在于對(duì)電路的理解不清晰，對(duì)于各電阻的作用不清楚。

2. 測(cè)量失誤——校準(zhǔn)刻度

在校準(zhǔn)量程的基礎(chǔ)上，改變A，B兩端電壓，使被校電表的讀數(shù)從大到小，然后再從小到大地逐漸變化，每隔2mA間隔，分別記下標(biāo)準(zhǔn)表和改裝表的讀值，這里被校準(zhǔn)表為實(shí)驗(yàn)室提供的表頭，標(biāo)準(zhǔn)表為萬用電表，應(yīng)使被校準(zhǔn)表指針處于0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00這些值時(shí)，讀取標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)并記錄。這里部分學(xué)生讀取的是被校準(zhǔn)表讀數(shù)，錯(cuò)誤原因在于對(duì)兩個(gè)表的用途有混淆。

3. 操作失誤——接線

極少數(shù)學(xué)生有這樣的失誤，在接線中對(duì)滑動(dòng)變阻器的接線以及電表連線有失誤，最終發(fā)現(xiàn)電表指示有問題后糾正了錯(cuò)誤。可能原因有：學(xué)生緊張；學(xué)生本身對(duì)儀器不熟悉；部分院校對(duì)這類基本儀器使用的培訓(xùn)不夠。

4. 應(yīng)用問題——設(shè)計(jì)電路

試題的第三部是運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室提供的電阻設(shè)計(jì)一個(gè)電路，驗(yàn)證基爾霍夫電流定律。這一步只要設(shè)計(jì)一個(gè)電路有節(jié)點(diǎn)，有支路，電阻選擇合理就能驗(yàn)證。但部分學(xué)生電路設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

5. 擴(kuò)程表的應(yīng)用——讀數(shù)問題

在試題第三部，要求應(yīng)用擴(kuò)程的電表進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證基爾霍夫電流定律。因擴(kuò)程的電表不是標(biāo)準(zhǔn)表，在測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)校準(zhǔn)曲線修正電表的讀數(shù)，得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

（五）總結(jié)

通過基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)競賽，我們發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對(duì)基本的實(shí)驗(yàn)儀器比較熟悉，能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按要求完成實(shí)驗(yàn)，能合理應(yīng)用現(xiàn)場提供的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。但也暴露出一些問題，針對(duì)這些我省學(xué)生存在的問題，我們作為物理實(shí)驗(yàn)教育工作者應(yīng)該積極努力為學(xué)生搭建平臺(tái)，使學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)使用并掌握基本的物理實(shí)驗(yàn)儀器，提高我省的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，培養(yǎng)高素質(zhì)的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶小平，張權(quán)，祝巍，等.首屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽試題解答與考試評(píng)析[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（11）：30-36.

[2]張?jiān)雒鳎踔衅剑w偉，等.首屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽試題解答與考試評(píng)析（續(xù)）[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（12）：35-41.

[3]張憲鋒，陶小平，祝魏，等.第2屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽試題的解答與考試評(píng)析[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014，34（5）：40-45.

[4]趙偉，韋先濤，代如成，等.第2屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽試題的解答與考試評(píng)析（續(xù)）[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014，34（6）：34-39.

[5]胡林，余克儉.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013，6.