張晟霆

(黑龍江省實(shí)驗(yàn)中學(xué)，哈爾濱 150001)

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高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

張晟霆

(黑龍江省實(shí)驗(yàn)中學(xué)，哈爾濱 150001)

電學(xué)是高中物理的重要組成部分，電學(xué)實(shí)驗(yàn)往往要進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是高中階段必須掌握的基本實(shí)驗(yàn)技能，其難點(diǎn)在于對器材和電路的選擇，這對于運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力要求很高。

高中物理；電學(xué)；實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)

1 高中電學(xué)中電路設(shè)計(jì)和儀器選擇

1.1 電路設(shè)計(jì)原理

利用滑動(dòng)變阻器改變電路中的電流，用電流表和電壓表測量電路中小燈泡、金屬絲、變阻器的電流和電壓，然后用作圖法和計(jì)算法分別去描繪小燈泡的伏安特性曲線、計(jì)算出金屬絲的電阻率和電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻?；瑒?dòng)變阻器、電流表和電壓表在電路中有不同的接法。

滑動(dòng)變阻器電路的選擇。

其一，限流電路(如圖1所示)。

當(dāng)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器滑片時(shí)，可以改變電路中的電阻，從而控制用電器的電流和電壓。設(shè)電源電壓為E，用電器(小燈泡、金屬絲、變阻器)的電阻、電流、電壓分別為R、I、U，滑動(dòng)變阻器的全值電阻為R0，

A.當(dāng)滑動(dòng)變阻器滑片P滑到右端時(shí)，用電器上U、I均為最大，最大值分別為E、E/R。

B.當(dāng)滑動(dòng)變阻器滑片P滑到左端時(shí)，用電器上U、I均為最小，最小值分別為ER/(R+R0)、E/(R+R0)。

綜上所述，限流電路的電流和電壓調(diào)節(jié)范圍分別為：

由上式可知，限流電路的電流和電壓調(diào)節(jié)范圍與滑動(dòng)變阻器的全值電阻R0有關(guān)，在E、R一定的情況下，R0越大，電流和電壓調(diào)節(jié)范圍越大；當(dāng)R0比R小得多時(shí)，電流和電壓調(diào)節(jié)范圍都很小。

圖1 限流電路Fig.1 Limited current circuit

圖2 分壓電路Fig.2 Bleeder circuit

其二，分壓電路(如圖2所示)。

A.當(dāng)滑動(dòng)變阻器滑片P滑到右端時(shí)，用電器上的U、I均為最大，其最大值分別為E、E/R。

B.當(dāng)滑動(dòng)變阻器滑片P滑到左端時(shí)，用電器上的U、I均為最小，其最小值分別為0、0。

綜上所述，限流電路的電流和電壓調(diào)節(jié)范圍分別為：

由上式可知，限流電路的調(diào)節(jié)范圍均與滑動(dòng)變阻器的全值電阻R0無關(guān)。

1.2 實(shí)驗(yàn)電路選擇

其一，在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樾襞菰趯?shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的電阻較小，所以采用電流表外接法，為使小燈泡上的電壓能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，變阻器采用分壓電路，實(shí)驗(yàn)電路如圖3。

圖3 描繪小燈泡的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)Fig.3 Volt-ampere characteristic curve experiment of a small bulb

圖4 測金屬絲的電阻率實(shí)驗(yàn)Fig.4 Specific resistance of the wire test

其二，在“測金屬絲的電阻率”實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)榻饘俳z的電阻值較小，所以采用電流表外接法。由于電路對電流和電壓的調(diào)節(jié)范圍要求不大，變阻器在電路中采用限流電路，實(shí)驗(yàn)電路如圖4。

其三，對于“測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)，由于電池的內(nèi)阻比電壓表內(nèi)阻小得多，與電流表內(nèi)阻差不多，所以采用電流表內(nèi)接法。而且利用滑動(dòng)變阻器改變電路中的電流，滑動(dòng)變阻器在電路中采用限流電路，實(shí)驗(yàn)電路如圖5。

圖5 測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻Fig.5 Power electromotive force and internal resistance test

1.3 電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程

其一，從實(shí)驗(yàn)原理入手。如測電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻的原理是閉合電路的歐姆定律。

其二，根據(jù)安全性、精確性、方便性原則，選擇實(shí)驗(yàn)儀器和確定測量電路。

安全性：主要指電路中的電流不能超過最大值，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，限流接法簡單，電路消耗的電能較少；測量小電阻時(shí)用限流接法(測量電阻的阻值跟滑動(dòng)變阻器的總阻值相比相差不大或RxRpm)，移動(dòng)滑片對電路幾乎沒有影響，必須用分壓接法；要求被測電路電壓可調(diào)范圍大(特別是從0開始連續(xù)調(diào)節(jié))，必須用分壓接法。如測干電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)，只能用限流接法。測小燈泡的伏安特性實(shí)驗(yàn)，校對改裝后的電表實(shí)驗(yàn)只能用分壓接法。

1.4 電流表、電壓表測量電路的選擇

電流表、電壓表測量電路有電流表外接法(如圖6)和電流表內(nèi)接法(如圖7)，由于電流表和電壓表內(nèi)阻的影響，兩種電路的測量值和真實(shí)值之間存在誤差。設(shè)電壓表內(nèi)阻為RV，電流表內(nèi)阻為RA，待測電阻真實(shí)值為R，測量值為RN。

圖6 電流表、電壓表測量電路有電流表外接法Fig.6 Ammeter, voltmeter circuit measurement with ammeter external method

圖7 電流表內(nèi)接法Fig.7 Ammeter internal connection method

其一，電流表外接法的相對誤差：

測量值 RN=U/I=RRV/(R+RV)

相對誤差N=(R-RN)/R =R/(R+RV) ≈R/RV

其二，電流表內(nèi)接法的相對誤差：

測量值 RN=U/I=R+RA

相對誤差N=(R-RN)/R =RA/R

其三，兩種電路的誤差比較：為了測量精確，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

A.當(dāng)(R/RV)>(RA/R)時(shí)應(yīng)選擇電流表內(nèi)接法電路。

B.當(dāng)(R/RV)<(RA/R)時(shí)應(yīng)選擇電流表外接法電路。

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

2.1 動(dòng)變阻器的連接

限流接法和分壓接法。如圖8所示的兩種電路中，滑動(dòng)變阻器(最大阻值為Rm)對負(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：限流接法電路簡單、省電，但電壓調(diào)節(jié)范圍較小；分壓接法電壓調(diào)節(jié)范圍較大。

圖8 兩種電路Fig.8 Two circuits

圖9 半偏法測電阻Fig.9 Resistance measured by half deflection method

2.2 測電阻的基本方法

其一，恒流半偏法測電流表內(nèi)阻，測量電路如圖9所示：

其二，操作步驟：

A.電位器阻值先調(diào)到最大；閉合S1斷開S2，調(diào)節(jié)R1，使的示數(shù)滿偏為Ig。

C.讀出R的值，則RA=R。

[1] 鮑崇敬.提升中職物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟呗訹J].職業(yè)，2016，(29)：67-68.

Analysis of high school physical electricity experiment design

ZHANG Sheng-ting

(Heilongjiang Experimental High School, Harbin 150001, China)

Electricity is an important part of high school physics, and electrical experiments are often carried out in circuit design. Electrical design experiment is basic experimental skill that must be grasped in high school stage. The difficulty lies in the choice of equipment and circuit, which demands for the ability to solve practical problems.

High school physics; Electricity; Experiment; Design

2017-01-10

張晟霆(2000-)，男，學(xué)生。

G634

B

1674-8646(2017)05-0104-02