电学实验中应注意的几个问题

孙雪梅

电学实验中应注意的几个问题

孙雪梅

孙雪梅/长春教育学院理化生系副教授（吉林长春130061）。

2012年十月笔者担任了长春市初中物理学科骨干教师实验教学技能竞赛的评委，参加了电学实验的评审。这次竞赛在现有初中物理实验教学要求的基础上略有提高，竞赛中部分老师在基本仪器的选择、使用和实验操作上都暴露出很多问题，也有部分老师对电学实验的某些要求知其然而不知其所以然，下面就其中的几个共性问题作一些探讨。

一、电流表和电压表的正确使用

（一）电流表和电压表量程的选择

首先待测量不能超过电表的量程，若已知待测量大小，可直接选择合适的量程，即待测量应使电表的指针偏转到满偏刻度的2/3左右。若待测量大小未知，一般先要用大量程“试触”，再选择合适的量程。“试触”即开关瞬间闭合后，立即断开，试触的作用，一是确定所选电表的量程是否合适；二是检查电表的连接是否正确。试触时速度要快，如果过慢，当指针反偏时则极易被碰弯或遭到损坏，电表只有在指针正偏和量程选择合适的情况下，才能保证其安全使用和精确测量。

（二）电流表和电压表零点校准

为了确保测量的准确度，电表使用前必须检查其指针是否指零，若有偏差要进行零点校准。竞赛中多数老师都忽视了这个环节，在电表使用前没有检查零点并予以校准，给测量结果带来零位误差。还有个别老师把电表拿在手中调零，这也是不正确的。正确的方法是：先晃动一下电表，查看指针转动是否灵活，然后把电表放到桌面上，放稳后调零，调零时一定要保证视线与表盘垂直。

（三）电流和电压的测量

测量时，为减小误差，提高测量的准确程度，应尽量使电流、电压测量值在电表满偏刻度的2/3以上。这是由于电表本身在结构设计、加工制造、材料性质等方面不尽完善，使电表的示数产生一定的误差，这个误差称为基本误差（即仪器误差）。电表的基本误差不因使用者不同而变化，因此它决定了电表所能保证的准确程度。电表基本误差的确定方法是，先用一块电表和一块标准电表同时测量一定的电流或电压，称之为校准。两电表在各刻度上的读数差值，称为绝对误差，然后选取最大的绝对误差△Xm除以电表的量程Xm，即为该电表的基本误差

根据基本误差的大小，可把电表分为不同的准确度等级，一般分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等级。其中 0.1 级、0.2 级表多用作标准表，校准其他的电表，0.5级表多用于精确度较高的测量，实验室常用1.0级电表，而1.5、2.5、5.0级表为一般测量用表。用0.1、0.2、0.5级电表测量时，所产生的误差主要是偶然误差，系统误差可忽略；而用1.0级以上的电表测量时，系统误差起主要作用，偶然误差为次要。电表的准确度等级k定义为：

当所用电表选定，即k一定时，由上式可计算出该表的最大绝对误差

则测量值X的相对误差为：

由该式可知，要想减小测量值的相对误差E，在待测量不超过所选量程的前提下，应选用较小的量程Xm。测量时测量值X要尽量接近电表的量程Xm，这样才能最大限度地达到电表的固有准确度。

二、滑动变阻器的选择与使用

（一）滑动变阻器在电路中的作用和连接方式

滑动变阻器在电路中的作用主要是用来控制电路中电流或电压的变化，因此在电路中有两种连接方式：限流接法和分压接法。

1.限流接法。如图一所示，就是把滑动变阻器串联在电路中，移动滑片P时，bp段电阻改变，整个回路中的电流随之改变，所以变阻器在这里起到控制电路中电流大小的作用，即限流作用。

图1

图2

2.分压接法。如图二所示，就是把变阻器下面的两个接线柱b、a分别与电源的两极相连，滑片P和任一接线柱（图二中为a）连接到负载上。电源接通后，电源电压全部加在ba上，并从pa向负载输出一部分电压Upa，移动滑片P，pa段电阻改变，电源加在负载上的电压Upa也随之改变，变阻器起到了分压的作用。

（二）滑动变阻器两种接法的选择

一般情况下，当滑动变阻器的全阻值大于负载电阻值时，选择限流接法。这时滑动变阻器与负载串联，对电路电流大小的调节作用明显，但滑动变阻器的全阻值不能太大，否则，负载电压的变化不够平稳，调节起来极不方便，不利于操作和测量。反之，当滑动变阻器的全阻值小于负载电阻值时，选择分压接法，这时滑动变阻器对负载的分压作用比较明显，而且负载两端电压的可调范围较大，利于均匀调节和测量。从电路连线和节能方面看，限流电路比分压电路简单且耗能小，所以在限流、分压两种接法均可使用的情况下，应优先选用限流接法。总之滑动变阻器两种接法的选择，要遵循安全、节能、方便调节、利于测量的原则，由电路的需要来决定。

（三）滑动变阻器规格的选择

选择滑动变阻器的规格时要把住“合适”这个尺度，即实验时安全、便于调节和读取数据。首先所选滑动变阻器的额定电流不能太小，以确保安全，其次所选滑动变阻器的全阻值不要太大，要与负载电阻值匹配，这样便于调节和读取数据。下面笔者就结合本次竞赛中伏安法测电阻实验，谈谈限流电路中滑动变阻器规格的选取。

若选规格为（0～10Ω，2A）的变阻器，则应采用分压接法，因为R0＜Rx。若采用限流接法，电路中的电流I及待测电阻Rx两端的电压可调范围较小，不利于多次测量取平均值。

若选规格为（0～50Ω，1.5A）的变阻器，相比之下其单位长度的阻值较大，实验时滑片P先是移动较长的距离，电路中的电流和Rx两端的电压变化幅度较小，而后移动很小的距离即滑片P稍有移动，电路中的电流和Rx两端的电压就迅速变化，给实验操作带来不便；同时也使得实验者只能在变阻器一端一个很小的范围内移动滑片P，才能得到所需要的几组电流和电压测量值，给数据测量带来不便。在这个实验中有超过半数的老师选择了规格为（0～50Ω，1.5A）的滑动变阻器，实验中确实出现了上述问题。

总之不管采用限流接法还是分压接法，实验时如果滑动变阻器的滑片从一端移到另一端，被测电流、电压都无明显变化，或滑片P只有在一端一个极小的范围内移动，电路中方能出现所需要的电流和电压，这都说明变阻器规格选择不当，恰当的选择应该是：在安全的前提下，滑动变阻器在调节过程中应能用到大部分电阻线。

（四）滑动变阻器的使用

图3

图4

使用滑动变阻器时，应该严格按照实验操作的动作规范要求来做。在移动滑片过程中应使用双手，即一手扶持变阻器，另一只手调节滑臂，同时手不能触碰到滑动变阻器的滑片、线圈、金属杆等可以导电的部位，见图3。虽然初中物理实验中所接触到的电压都在安全范围内，一般不会发生触电事故，但老师正确规范的操作会对学生起到示范作用，使学生养成良好的实验操作习惯，身教重于言教。本次竞赛中有许多老师在调节滑动变阻器时没有按规范要求去做，动作随意，见图4，这在今后的教学和实验中应该杜绝。

三、电路的连接和仪器的摆放

（一）电路的连接

这次竞赛中有一个实验是要求参赛教师连接一个混联电路。对于混联电路，笔者认为有两种连接方式比较好，一种方式是按照电路图，从电源的正极开始，用导线顺次连接各元件，把干路上的器件和任一支路上的器件按串联电路连好，最后接到电源的负极，形成一个回路，然后再确认电路图中的分支点，再把其他支路并联好。另一种方式是从电源的正极开始，用导线顺次连接各元件，该串联的串联，该并联的并联，最后接到电源的负极，完成整个电路的连接。这样连接完成的电路非常清晰，导线走向明确，没有交叉，这样做还有一个好处就是，当出现问题时便于检查。

连接电路时，还应该注意：每处接线必须接牢，防止虚接。接线时，接头要拧紧，为了使接线片接触良好，应充分利用电路中的等位点，避免在一个接线柱上集中过多的导线接片，也就是说一个接线柱上的接线片越少越好，一般要求是一个接线柱不要有三个及三个以上接线片。特别是当连接电路的导线是导线线头时，应注意导线线头在接线柱上的环绕方向应是接线柱螺帽旋紧的方向，否则旋紧螺帽时导线可能被挤出来。对于有垫圈的接线柱，接线片应放在两个垫圈之间。

（二）仪器的摆放

对于仪器的摆放，应根据走线合理，便于操作和观察的原则合理布置仪器，需要操作的仪器放在右手边便于操作的地方，如开关、滑动变阻器，不需要操作的仪器放在左手边，如电阻，需要观察或读数的仪表放在正前方，如电压表、电流表等，电表的表面应该正对着操作者，这样在观察和读数时才能保证视线与表盘垂直，避免产生视差。

图5和图6是这次参加伏安法测电阻实验中两位老师所连接的电路

图5

图6

图5电路中存在的主要问题是器材摆放不合理。首先是开关放在了最左侧，并且离电表也比较远，实验者在闭合开关时需要观察电表指针偏转情况，这样不便于观察。其次是滑动变阻器离实验者较远，实验者在操作时，身体前倾较大，挡住了面前那块电压表，影响观察读数。再者电流表的表面没有正对着实验者，当观察读数时，实验者的视线不能与表盘垂直，这样不符合电表的读数规范要求。

图6所示电路，仪器布局合理，摆放得比较紧凑。需要操作的开关、滑动变阻器放在了右手边，需要读数的电表放在正前方，两块表基本并列摆放，这样有利于观察读数。实验者对导线的处理也比较有技巧，规避了因导线较长所导致的台面上看着比较混乱的感觉，而且方便线路检查。在线路连接上实验者选用了红色和黑色两种不同颜色的导线按某种规律搭配连接，看上去清楚、易分辨，这也是一种实验技巧。

电路连接好后，在接通电源时要做瞬态试验，即“试触”，目的是看看电路中有无异常情况，若有异常，如仪表指针反偏或超出量程，电路打火、冒烟、出现焦臭味或特殊响声等，应立即断电进行检查。若情况正常，再闭合开关，调节线路至实验最佳状态。“试触”在电学实验中很重要，初中教学中要求学生掌握这种技能，作为教师在实验时更应该严格按照这一要求来做。

为了促进物理实验教学的落实和开展，加强对学生实验能力的培养，《义务教育物理课程标准》（2011年版）修改并增加了对物理实验的要求。电学实验是初中物理实验的重要组成部分，在教学中占有很大的比例，并且电学实验在实验教学中有其独特的设计和操作规范要求。面对新课标和实验教学内容的要求，作为初中物理教师还需进一步提高自身的实验素质。

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[1]陶纯匡，王银峰，汪涛.大学物理实验[M].北京：机械工业出版社，2012

[2]李艳萍，刘志远，苑忠英.大学物理实验教程[M].北京：机械工业出版社，2012

[3]刘炳昇，魏日升.初中物理教师实验技能训练[M].北京：高等教育出版社，1993

责任编辑：郭一鹤