高中物理电学设计性质实验处理技巧

袁世维

摘要：电学实验是高中实验教学的重点内容，是高考的必考题型之一。电学设计性实验的难点在于对器材和电路的选择，这对学生应用所学知识解决实际问题能力要求很高。

关键词：电学设计性实验；基础知识；系统误差分析

中图分类号：G633.7文献标识码：B文章编号：1672-1578（2016）04-0294-02

电学实验是高中实验教学的重点内容，是高考的必考题型之一。电学实验往往要进行电路的设计过程，使相当一部分学生对这种题型产生了畏惧心理。电学设计性实验是高中生必须掌握的基本实验技能，其难点在于对器材和电路的选择，这对学生应用所学知识解决实际问题能力要求很高。为帮助学生更有效地掌握这类题型，我主要从电学设计性实验的整体把握方面和系统误差分析做一归纳整理，以期望对该难点突破起到一定的作用。

1.电学设计性实验难点的形成原因

（1）对滑动变阻器的限流、分压两种接法的原理把握不准，导致控制电路选用不当。（2）对电学实验的基础内容"测量电阻"的基本方法无明确的归类，导致思路混乱。（3）对于创新型设计性实验的突破方法不明确，在全新的实验情景下，找不到实验设计的原理，无法设计合理可行的方案。

2.电学设计性实验的设计过程

（1）从实验原理入手。如测电源的电动势和内阻的原理是闭合电路的欧姆定律。

（2）根据"安全性"、"精确性"和"方便性"原则，选择实验仪器和确定测量电路。

安全性：主要指电路中的电流不能超过最大值；电流表、电压表不能超量程使用。这就要估算电路中的最大电流（电压）或根据用电器的额定电压（电流）来选择电表的量程。

精确性：为减小读数误差，电表使用时，尽可能使指针指在满刻度的一半左右；伏安法测电阻要考虑电流表的接法。

方便性：主要指滑动变阻器的选择和接法。首选限流接法，限流接法简单，电路消耗的电能较少；测量小电阻时用限流接法（测量电阻的阻值跟滑动变阻器的总阻值相比相差不大或Rx>Rpm），移动滑片对电路几乎没有影响，必须用分压接法；要求被测电路电压可调范围大（特别是从0开始连续调节），必须用分压接法。如测干电池的电动势和内阻的实验，只能用限流接法。测小灯泡的伏安特性实验，校对改装后的电表实验只能用分压接法。

3.电学设计性实验的基础知识

3.1动变阻器的连接：限流接法和分压接法。如图所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为Rm）对负载RL的电压、电流起控制调节作用，通常把图甲电路称为限流接法，它是把滑动变阻器串联在电路中。图乙电路称为分压接法，它是从滑动变阻器上分出一部分电压加在待测电阻上。（忽略电源内阻）RL上电压调节范围为：限流接法：[E·RL/（RL+Rm）]～E，分压接法：0～E。比较两种接法可知：限流接法电路简单、省电，但电压调节范围较小；分压接法电压调节范围较大。

限流法中，RL上电压调节范围为[E·RL/（RL+Rm）]～E ，.显然，当Rm<>RL时，滑动触头在滑动的过程中，先是电流表、电压表的示数变化不大，后来在很小的电阻变化范围内，电流表、电压表的读数变化很快，也不方便读数，只有当RL与Rm差不多大小时，才能对电流、电压有明显的调控作用。分压法中，RL上电压调节范围为0～E，且Rm相对于RL越小，RL上的电压变化线性就越好.当Rm>>RL时，尽管UL变化范围仍是0～E，但数据几乎没有可记录性。因此，分压接法要用全阻值较小的滑动变阻器。

3.2电表的改装。小量程电流表改装成电压表是根据串联电阻分压原理，如图a所示。小量程电流表改装成电流表是根据并联电阻分压原理，如图b所示。表头改装成欧姆表是根据闭合电路的欧姆定律I=ERg+R+r+Rx，如图c所示。

通过电表的改装明确电压表、电流表在电路中的作用。实际电表在电路中担当两个角色：测电压、电流的仪器和定值电阻。理想电表在电路中只是测电压、电流的仪器。

3.3测电阻的四种基本方法

方法一：伏安法测电阻。该方法的原理是部分电路的欧姆定律，测量电路有两种接法。

（1）电流表外接法，电路如图1所示

根据R测=UVIA=UXIV+IX

（2）电流表的内接法，电路如图2所示

根据R测=UVIA=UA+UXIX

在测电阻的方法中，伏安法最为基础。若用伏安法测电阻必须考虑电流表的接法，究竟要采用那种接法误差小，可根据以下方法来判断：阻值比较法或试探法，如图3所示。

方法二：欧姆表测电阻。该方法的原理是闭合电路的欧姆定律。

方法三：等效替代法测电阻

（1）测量电路如图所示

（2）操作步骤：

①将滑动变阻器R1的阻值置于最大处；将S拨向接点1，调节R1使电流表示数为I；②将电阻箱R2的阻值调至最大，S拨向接点2，保持R1不变，调节R2，使电流表示数仍为I；③读出电阻箱的示数，就等于待测电阻的阻值。

替代法测电阻的原理是闭合电路的欧姆定律：①步骤中，由闭合电路欧姆定律得I=ER+R1+Rg+r ，②步骤中，仍由闭合电路欧姆定律得I=ER2+R1+Rg+r

由等量代换可得R=R2。同时清楚使用的典型元件：电阻箱，监控电流表。

方法四：半偏法测电阻

（1）恒流半偏法测电流表内阻，测量电路如图所示

（2）操作步骤：

①电位器阻值先调到最大；闭合S1断开S2，调节R1，使 的示数满偏为Ig；

②保持R1不变，闭合S2，调节电阻箱R，使 的示数半偏为Ig2；

③读出R的值，则 RA=R。

恒流半偏法测电流表内阻的原理是闭合电路的欧姆定律：②步骤中，当通过电流表的电流为Ig/2时，认为通过电阻箱的电流也等于Ig/2，这就要求在闭合S2前后，电路中的总电流保持Ig不变，这只能是一个近似结果。要I2≈I1=Ig ，则RA <

通过误差分析， U#=Ig2·RA=（I2-Ig2）R>Ig2R，所以测量值偏小。同时清楚使用的典型元件：电阻箱，电位器（阻值很大的滑动变阻器或电阻箱），电动势大的电源。

（3）恒压半偏法测电压表内阻，测量电路如图所示

（4）操作步骤：

①把滑动变阻器R1的滑片滑到b端，将电阻箱R的阻值调到零；闭合开关S，

移动滑动变阻器的滑片位置，使电压表的示数满偏；

②保持R1的滑片位置不变，调节R的阻值使电压表示数半偏；

③读出R的阻值，即为电压表内阻RV的测量值；

恒压半偏法测电压表内阻的原理也是闭合电路的欧姆定律：②步骤中，当电压表的示数为Um/2时，认为电阻箱的电压也等于Um/2，这就要求在接入电阻箱R前后，并联电路中的电压保持Um不变，这只能是一个近似结果。要U#=E-I（r+Ra）不变，即要I2≈I1 ，则Rv>> Rb （滑动变阻器尽可能小）

通过误差分析，IV=Um2/RV=（U并2-Um2）/R> Um2/R，所以测量值偏大。同时清楚使用的典型元件：电阻箱，阻值小的滑动变阻器。

参考文献：

[1]曾文婕.课堂教学设计.北京师范大学出版社，2011.

[2]陶昌宏.高中物理教学理论与实践.北京师范大学出版社，2008.