袁世維

摘要：電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，是高考的必考題型之一。電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于對(duì)器材和電路的選擇，這對(duì)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力要求很高。

關(guān)鍵詞：電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；基礎(chǔ)知識(shí)；系統(tǒng)誤差分析

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1672-1578（2016）04-0294-02

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，是高考的必考題型之一。電學(xué)實(shí)驗(yàn)往往要進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，使相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)這種題型產(chǎn)生了畏懼心理。電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是高中生必須掌握的基本實(shí)驗(yàn)技能，其難點(diǎn)在于對(duì)器材和電路的選擇，這對(duì)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力要求很高。為幫助學(xué)生更有效地掌握這類題型，我主要從電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的整體把握方面和系統(tǒng)誤差分析做一歸納整理，以期望對(duì)該難點(diǎn)突破起到一定的作用。

1.電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)的形成原因

（1）對(duì)滑動(dòng)變阻器的限流、分壓兩種接法的原理把握不準(zhǔn)，導(dǎo)致控制電路選用不當(dāng)。（2）對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)內(nèi)容"測(cè)量電阻"的基本方法無(wú)明確的歸類，導(dǎo)致思路混亂。（3）對(duì)于創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的突破方法不明確，在全新的實(shí)驗(yàn)情景下，找不到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，無(wú)法設(shè)計(jì)合理可行的方案。

2.電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）從實(shí)驗(yàn)原理入手。如測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的原理是閉合電路的歐姆定律。

（2）根據(jù)"安全性"、"精確性"和"方便性"原則，選擇實(shí)驗(yàn)儀器和確定測(cè)量電路。

安全性：主要指電路中的電流不能超過(guò)最大值；電流表、電壓表不能超量程使用。這就要估算電路中的最大電流（電壓）或根據(jù)用電器的額定電壓（電流）來(lái)選擇電表的量程。

精確性：為減小讀數(shù)誤差，電表使用時(shí)，盡可能使指針指在滿刻度的一半左右；伏安法測(cè)電阻要考慮電流表的接法。

方便性：主要指滑動(dòng)變阻器的選擇和接法。首選限流接法，限流接法簡(jiǎn)單，電路消耗的電能較少；測(cè)量小電阻時(shí)用限流接法（測(cè)量電阻的阻值跟滑動(dòng)變阻器的總阻值相比相差不大或Rx>Rpm），移動(dòng)滑片對(duì)電路幾乎沒(méi)有影響，必須用分壓接法；要求被測(cè)電路電壓可調(diào)范圍大（特別是從0開(kāi)始連續(xù)調(diào)節(jié)），必須用分壓接法。如測(cè)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)，只能用限流接法。測(cè)小燈泡的伏安特性實(shí)驗(yàn)，校對(duì)改裝后的電表實(shí)驗(yàn)只能用分壓接法。

3.電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)

3.1動(dòng)變阻器的連接：限流接法和分壓接法。如圖所示的兩種電路中，滑動(dòng)變阻器（最大阻值為Rm）對(duì)負(fù)載RL的電壓、電流起控制調(diào)節(jié)作用，通常把圖甲電路稱為限流接法，它是把滑動(dòng)變阻器串聯(lián)在電路中。圖乙電路稱為分壓接法，它是從滑動(dòng)變阻器上分出一部分電壓加在待測(cè)電阻上。（忽略電源內(nèi)阻）RL上電壓調(diào)節(jié)范圍為：限流接法：[E·RL/（RL+Rm）]～E，分壓接法：0～E。比較兩種接法可知：限流接法電路簡(jiǎn)單、省電，但電壓調(diào)節(jié)范圍較??；分壓接法電壓調(diào)節(jié)范圍較大。

限流法中，RL上電壓調(diào)節(jié)范圍為[E·RL/（RL+Rm）]～E ，.顯然，當(dāng)Rm<>RL時(shí)，滑動(dòng)觸頭在滑動(dòng)的過(guò)程中，先是電流表、電壓表的示數(shù)變化不大，后來(lái)在很小的電阻變化范圍內(nèi)，電流表、電壓表的讀數(shù)變化很快，也不方便讀數(shù)，只有當(dāng)RL與Rm差不多大小時(shí)，才能對(duì)電流、電壓有明顯的調(diào)控作用。分壓法中，RL上電壓調(diào)節(jié)范圍為0～E，且Rm相對(duì)于RL越小，RL上的電壓變化線性就越好.當(dāng)Rm>>RL時(shí)，盡管UL變化范圍仍是0～E，但數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有可記錄性。因此，分壓接法要用全阻值較小的滑動(dòng)變阻器。

3.2電表的改裝。小量程電流表改裝成電壓表是根據(jù)串聯(lián)電阻分壓原理，如圖a所示。小量程電流表改裝成電流表是根據(jù)并聯(lián)電阻分壓原理，如圖b所示。表頭改裝成歐姆表是根據(jù)閉合電路的歐姆定律I=ERg+R+r+Rx，如圖c所示。

通過(guò)電表的改裝明確電壓表、電流表在電路中的作用。實(shí)際電表在電路中擔(dān)當(dāng)兩個(gè)角色：測(cè)電壓、電流的儀器和定值電阻。理想電表在電路中只是測(cè)電壓、電流的儀器。

3.3測(cè)電阻的四種基本方法

方法一：伏安法測(cè)電阻。該方法的原理是部分電路的歐姆定律，測(cè)量電路有兩種接法。

（1）電流表外接法，電路如圖1所示

根據(jù)R測(cè)=UVIA=UXIV+IX

（2）電流表的內(nèi)接法，電路如圖2所示

根據(jù)R測(cè)=UVIA=UA+UXIX

在測(cè)電阻的方法中，伏安法最為基礎(chǔ)。若用伏安法測(cè)電阻必須考慮電流表的接法，究竟要采用那種接法誤差小，可根據(jù)以下方法來(lái)判斷：阻值比較法或試探法，如圖3所示。

方法二：歐姆表測(cè)電阻。該方法的原理是閉合電路的歐姆定律。

方法三：等效替代法測(cè)電阻

（1）測(cè)量電路如圖所示

（2）操作步驟：

①將滑動(dòng)變阻器R1的阻值置于最大處；將S撥向接點(diǎn)1，調(diào)節(jié)R1使電流表示數(shù)為I；②將電阻箱R2的阻值調(diào)至最大，S撥向接點(diǎn)2，保持R1不變，調(diào)節(jié)R2，使電流表示數(shù)仍為I；③讀出電阻箱的示數(shù)，就等于待測(cè)電阻的阻值。

替代法測(cè)電阻的原理是閉合電路的歐姆定律：①步驟中，由閉合電路歐姆定律得I=ER+R1+Rg+r ，②步驟中，仍由閉合電路歐姆定律得I=ER2+R1+Rg+r

由等量代換可得R=R2。同時(shí)清楚使用的典型元件：電阻箱，監(jiān)控電流表。

方法四：半偏法測(cè)電阻

（1）恒流半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻，測(cè)量電路如圖所示

（2）操作步驟：

①電位器阻值先調(diào)到最大；閉合S1斷開(kāi)S2，調(diào)節(jié)R1，使 的示數(shù)滿偏為Ig；

②保持R1不變，閉合S2，調(diào)節(jié)電阻箱R，使 的示數(shù)半偏為Ig2；

③讀出R的值，則 RA=R。

恒流半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻的原理是閉合電路的歐姆定律：②步驟中，當(dāng)通過(guò)電流表的電流為Ig/2時(shí)，認(rèn)為通過(guò)電阻箱的電流也等于Ig/2，這就要求在閉合S2前后，電路中的總電流保持Ig不變，這只能是一個(gè)近似結(jié)果。要I2≈I1=Ig ，則RA <

通過(guò)誤差分析， U#=Ig2·RA=（I2-Ig2）R>Ig2R，所以測(cè)量值偏小。同時(shí)清楚使用的典型元件：電阻箱，電位器（阻值很大的滑動(dòng)變阻器或電阻箱），電動(dòng)勢(shì)大的電源。

（3）恒壓半偏法測(cè)電壓表內(nèi)阻，測(cè)量電路如圖所示

（4）操作步驟：

①把滑動(dòng)變阻器R1的滑片滑到b端，將電阻箱R的阻值調(diào)到零；閉合開(kāi)關(guān)S，

移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片位置，使電壓表的示數(shù)滿偏；

②保持R1的滑片位置不變，調(diào)節(jié)R的阻值使電壓表示數(shù)半偏；

③讀出R的阻值，即為電壓表內(nèi)阻RV的測(cè)量值；

恒壓半偏法測(cè)電壓表內(nèi)阻的原理也是閉合電路的歐姆定律：②步驟中，當(dāng)電壓表的示數(shù)為Um/2時(shí)，認(rèn)為電阻箱的電壓也等于Um/2，這就要求在接入電阻箱R前后，并聯(lián)電路中的電壓保持Um不變，這只能是一個(gè)近似結(jié)果。要U#=E-I（r+Ra）不變，即要I2≈I1 ，則Rv>> Rb （滑動(dòng)變阻器盡可能?。?/p>

通過(guò)誤差分析，IV=Um2/RV=（U并2-Um2）/R> Um2/R，所以測(cè)量值偏大。同時(shí)清楚使用的典型元件：電阻箱，阻值小的滑動(dòng)變阻器。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾文婕.課堂教學(xué)設(shè)計(jì).北京師范大學(xué)出版社，2011.

[2]陶昌宏.高中物理教學(xué)理論與實(shí)踐.北京師范大學(xué)出版社，2008.