帮助学生有效把握电学实验中的重点问题

李之东

【摘要】电学实验的考查涉及电流表的内接与外接，滑动变阻器的限流与分压。常规的学生实验有测定金属丝的电阻率、描绘小灯泡的伏安特性曲线、测电源电动势和内阻、多用电表的使用，其中前三个实验均是伏安法，涉及到电压表与电流表的使用，由于实验中的电表不是理想电表，造成实验存在误差，为了减小误差，在仪器的选择上、电流表的内外接法上、变阻器的限流和分压上都要合理选择。

【关键词】实验原则；实验模型；内接法；外接法；限流式；分压式

电学实验是选修3-1《恒定电流》这一章的内容，是高中物理的重点和难点，主要有四个学生实验：测定金属丝的电阻率、描绘小灯泡的伏安特性曲线、测电源电动势和内阻、练习使用多用电表，其中涉及到的知识有电路的设计，仪器的选择、使用和读数，内容繁而杂，很多学生一轮复习完后还是一知半解，做题也是云里雾里。如何帮助学生有效把握电学实验中的重点问题，本文根据实际课堂教学和历届高考模式与题型，从基本的实验方法、实验原则与实验模型三方面加以概括。

一、基本实验方法

（一）电流表的两种接法

高中阶段，电学部分学生实验都是依据伏安法的原理来完成的，测定金属丝的电阻率实验中涉及伏安法测电阻，描绘小灯泡的伏安特性曲线、测电源电动势和内阻均使用了电压表与电流表。因为实际的电表都不是理想电表，电压表会分流，电流表会分压，所以实验时两电表就带来误差，下面从“伏安法测电阻”角度介绍电流表的两种接法以及如何减小实验误差。

1、两种接法的比较：两种接法的误差来源不同，测量电阻时要根据情况选用合理的接法。

2、两种接法的选择：

⑴比值法：若Rx/RA>Rv / Rx用内接法，若Rx/RA

⑵试触法：如图1所示，将电压表分别

接在a、c和b、c两点间时，观察两电

表的示数变化情况。若电流表示数变化大，说明电压表流过的电流大，不可忽略，应让电流表测实际电流，选用内接法。若电压表示数变化大，说明电流表分担的电压大，不可忽略，应让电压表测实际的电压，应选用外接法。

（二）滑动变阻器的两种接法

1、两种接法的比较

由上表可以看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围较大，利于得到多组数据，限流式接法简单而且相对较节能。

2、两种接法的选择

⑴两种接法的使用条件

①限流式接法适用于测阻值小的电阻，相对滑动变阻器总电阻而言，但又不是相差很大，这样移动滑动触头调节范围大且方便。

②分压式接法适合测量大阻值电阻（与滑动变阻器的总电阻相比），因为Rx越大，分压式中Rx几乎不影响电压的分配，滑片移动时，电压变化明显，便于调节。

通常情况下（满足安全条件），由于限流电路连接简单，耗能较小，分压式接法较复杂，而且耗能大，一般优先考虑用限流接法。

（2）在下列情况下必须采用分压式接法：

①实验要求电压从零开始连续变化的。

②用限流不能保证实验仪器的安全，如电路中的最小电流都超过电流表的量程。

如果实验所提供的电表量程或电阻元件允许的最大电流很小，采用限流接法时，无论怎样调节，电路中的实际电流（电压）都会超过电表量程或电阻元件允许的最大电流（电压），为了保护电表或电阻元件，必须采用分压接法，来得到小电压（电流）。

③变阻器的总阻值远小于待测电阻。

这种情况下，采用限流接法时，即使变阻器的滑动片从一端滑至另一端，待测电阻上的电流（电压）变化范围不够大，得不到多组数据，不利于多次测量求平均值或用图像法处理数据，因此要采用分压接法。

二、电学仪器选择的基本原则

对于电学仪器的选择，应综合考虑以下几个方面，通过粗略的方法进行判断。

1、安全性。安全性是指每个电路元件上的电流、电压、电功率不超过电路元件的额定值。如电源的输出电流不超过最大允许值，电压表两端所加的最大电压不超过量程。

2、精确性。精确性是指引起的误差，实验引起的误差或相对误差越小，精确性越高。如使用电流表和电压表时指针应在满偏刻度的1/3以上，这样做是为了减小读数带来的相对误差；在测量金属导体的电阻时为减小温度对电阻的影响，通过电阻丝的电流不宜过大，通电时间不宜过长；还用测电阻时外接法、内接法的选择，电流表、电压表内阻大小的考虑等等，都是为了减小误差提高实验的精确性。

3、方便性。方便性是指操作方便、读数准确、数据处理简单等。总阻值较大的滑动变阻器，尽管可以安全使用，但如果在实验过程中只用到它很小一部分电阻，就不方便操作，不宜选择。

4、节约性。只在不影响以上三个方面的基础上，要考虑节约使用材料，节约电源消耗等。

三、实验基本模型

1、伏安法测电阻包括限流式与分压式。

2、替代法测电阻

原理：

课文图2-1中单刀双掷开关前后接1与2时，调节电阻箱R使两次电流表读数相同，则Rx=R。

课文图2-2中单刀双掷开关前后接1与2时，调节电阻箱R使两次电压表读数相同，则Rx=R。

3、利用串并联电路特点测量电表的内阻

4、描绘小灯泡的伏安特性曲线

此方案一般不选取，因为这个设计内阻测量值实际上是真实内阻与电流表内阻之和，在电源内阻较小的情况下，相对误差超过100%，测量结果错误。

此实验因伏安特性曲线不是直线，要求得到小灯泡在不同电压下的电流，这样描绘的图线精确性才高，因此电压调节范围要大，能够得到多个不同电压，所以采用分压式接法，并且滑动动变阻器阻值要比小灯泡的电阻小来保证灯泡电压能随滑片移动时平稳变化。

5、测定金属丝的电阻率

本实验测三组电阻后求平均值即可，不需要很大的电压调节范围，所以采用限流接法。

6、伏安法测电源电动势和内阻

通过以上分析可以可出，电学实验中原理的分析、方案的设计、误差分析，都涉及到了《恒定电流》这章的大部分知识，如“部分电路的欧姆定律”，“闭合电路的欧姆定律”，“串并联电路的电流电压关系”，“串并联电路功率问题”，而且由于题型灵活多变，在具体的实验题目中能考查学生对知识的理解、把握和综合能力，具有很高的选拔性，成为历年高考的热点问题，尤其是创新型实验题更是考察学生对实验原理的把握与理解，所以在实际的教学中从基本实验方法，基本实验原则，基本实验模型入手，帮助学生夯实基础至关重要。