贵州省首届大学生物理实验技能竞赛基础性实验试题的解答与考试评析

汤燕 魏晓楠

摘 要：贵州省首届大学生物理实验技能竞赛基础性物理实验试题为“电表的扩程、校准与使用”，文章介绍竞赛试题的部分答案，并对参赛学生的实验考试结果进行评析。

关键词：大学生物理实验竞赛；电表的扩程；扩程电表的使用

中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：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

贵州省首届大学生物理实验技能竞赛由贵州省物理学会主办，由贵州大学物理学院承办，于2016年7月24-25日在贵州大学大学物理实验教学中心举行。举办大学生物理实验竞赛是为激发我省大学生对物理学和物理实验的兴趣，提升大学生的创新意识，提高大学生知识的综合运用能力和实践能力，同时提供我省各高校师生进行教和学的交流平台。竞赛提倡“重在参与，注重过程”，促进各高校大学生基础知识与综合素质培养的有机结合，为拔尖创新人才的培养提供发展平台。来自贵州省各院校的11个代表队的44名大学生选手参加了本次竞赛。竞赛命题分为基础性物理实验和综合性、研究性物理实验题2类。本次实验竞赛既突出物理基础又充分体现大学生的实践能力、动手能力和创新思维。各代表队由2人分别单独参加3h的基础性物理实验竞赛；2人合作参加4h的综合性、研究性物理实验竞赛，经评审专家组的评审和竞赛组委会审议，评选一等奖1名，二等奖2名，三等奖3名，优秀奖5名。

二、基础性实验的解答

贵州省首届大学生物理实验技能基础性实验试题为“电表的扩程、校准与使用”，目的是综合考察考生对基本的实验仪器的使用的熟练程度、物理实验方法的理解、掌握水平和综合分析应用能力。考生1人独立完成，限时3小时。

（一）试题：电表的扩程、校准与使用

1. 实验仪器

（1）磁电式电表头；（2）万用电表；（3）直流稳压电源；（4）滑线变阻器；（5）电阻箱；（6）双掷开关；（7）单掷开关；（8）导线若干；（9）电阻若干。

2. 实验原理

（1）将表头改装成电流表。一般表头的量程是很小的，当要测量较大的电流时，可在表头的两端并联一个电阻Rp，使超过表头能承受的那部分电流从Rp流过，从而扩大电表的电流量程。

设改装后电流表的量程为I，由按欧姆定律可得（I-Ig）Rg=IgRg，其中Ig、Rg由实验室给出，根据需要的电流表量程，可算出应并联的电阻值Rp。若将表头的量程扩大n倍（n=），则分流电阻为

由此可见，在同一表头并联不同大小的分流电阻Rp，就可以得到不同量程的电流表。

（2）改装后的电表校正及标称误差。电表扩程后必须经过校准才能使用，校准方法是将改装后的电表与标准表，同时对同一个对象（如电流或电压）进行测量和比较。

a. 量程的校准。电流表的校准按图1接线，标准表的量程必须等于或大于改装表的量程。调节A，B两端电压以及Rp，以使得校准表读数I为被较表的量程、被校表指针指在满偏位置上。

b. 刻度的校准。如图1所示，在校准量程的基础上，通过改变A，B两端电压，使被校电表与标准表的读数从大到小，再从小到大地逐渐变化，每隔一定间隔，分别记下两表的读值。

通过校准，得出被校表各个指示值Ix和标准电表对应的指示值Is，得到该刻度的修正值x（x=Is-Ix），根据修正值画出电表校准曲线（以Ix为横坐标，Is为纵坐标的修正折线图），两个校准点之间用直线连接，整个图形是修正值折线状，选取其中最大的绝对误差除以量程，即为该电表的标称误差，故

标称误差=（最大绝对误差/量程）×100%

（二）实验内容

1. 将量程为1mA的表头扩至10mA

2. 将1mA的表头改为0～10V的电压表。

3. 运用实验室提供的电阻设计一个电路，应用扩程的电表进行测量，验证基尔霍夫电流定律：在任一瞬时，流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和，即：

I=0，表格自拟（根据电流表的量程选择适当电阻）。扩程电压表的校准方法与电流表的校准方法类似，这里主要介绍表头扩程为电流表、校准扩程电流表及运用。

4. 实验步骤

将量程为1mA的表头扩至10mA：

a. 由（1）式算出分流电阻Rp的数值。

b. 校准扩程后的电表：先调准零点，再校准量程，再校准刻度，刻度的校准可均匀地取5～10个校准点，校准的电路如图1所示。分流电阻Rp用电阻箱充当，R1、R2是滑线变阻器，E为电源电压。

c. 校准量程，接通直流电源，调节电源电压E=12，合拢开K ，调节R、Rp，使两表同时达到满程，若两表不能同时到达满程，调节电阻Rp值，使两表同时到达满程，再记下实际電阻值R'p。

d. 校準刻度，调节滑线变阻器，使电流从小到大（0～10mA）校准6个刻度值，然后电流从大到小（10～0mA）重复一遍，以待校表的刻度值为准，测出各点标准表的读数并记录。

e. 计算出x的平均值，再计算出此表的标称误差并作出x-x图。

（三）数据处理

1. 将量程为1mA的表头扩至10mA

2. 运用实验室提供的电阻设计一个电路，应用扩程的电表进行测量，验证基尔霍夫电流定律（电路仅供参考）

电路的设计可有多种形式，这里列举其中一种，如图2所示。将5个电阻连接成有节点，有支路的电路，电阻值如表3所示。用扩程后的电表分别测出各支路的电流，填入表4中，再根据电流表的校准曲线修正电表读数。

3. 结论：

I1为流入，取正值；I2、I3为流出，取负值，则I1+I2+I3=0.019≈0

从而验证了基尔霍夫电流定律：在任一瞬时，流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和，即：

（四）竞赛结果评析

竞赛中发现学生存在以下问题

1. 实验难点——校准量程

电表的校准操作中，很重要的一步是校准量程，在操作中需要保证被校准表和标准表不能超过满偏，而校准好量程时，两个表的指针同时指向满偏。为了不使任何一表超过满偏，可调节R1、R2，使得两电流表指针保持在量程范围内，接近需要扩程的10mA。同时调节分流电阻Rp，使被校准表与标准表指示一致，再调节R1、R2，使两表同时满偏，这时，量程就校准好了。在实验竞赛中，发现部分学生对于这部分的操作有困难，主要原因在于对电路的理解不清晰，对于各电阻的作用不清楚。

2. 测量失误——校准刻度

在校准量程的基础上，改变A，B两端电压，使被校电表的读数从大到小，然后再从小到大地逐渐变化，每隔2mA间隔，分别记下标准表和改装表的读值，这里被校准表为实验室提供的表头，标准表为万用电表，应使被校准表指针处于0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00这些值时，读取标准表的读数并记录。这里部分学生读取的是被校准表读数，错误原因在于对两个表的用途有混淆。

3. 操作失误——接线

极少数学生有这样的失误，在接线中对滑动变阻器的接线以及电表连线有失误，最终发现电表指示有问题后纠正了错误。可能原因有：学生紧张；学生本身对仪器不熟悉；部分院校对这类基本仪器使用的培训不够。

4. 应用问题——设计电路

试题的第三部是运用实验室提供的电阻设计一个电路，验证基尔霍夫电流定律。这一步只要设计一个电路有节点，有支路，电阻选择合理就能验证。但部分学生电路设计不合理，导致实验失败。

5. 扩程表的应用——读数问题

在试题第三部，要求应用扩程的电表进行测量，验证基尔霍夫电流定律。因扩程的电表不是标准表，在测量时应根据校准曲线修正电表的读数，得到较为准确的结果。

（五）总结

通过基础性实验竞赛，我们发现大部分学生对基本的实验仪器比较熟悉，能在规定时间内按要求完成实验，能合理应用现场提供的资源进行设计实验。但也暴露出一些问题，针对这些我省学生存在的问题，我们作为物理实验教育工作者应该积极努力为学生搭建平台，使学生有更多的机会使用并掌握基本的物理实验仪器，提高我省的物理实验教学水平，培养高素质的人才。

参考文献：

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