李敬德

在近幾年的高考物理試卷中，來源于課本又高于課本的非常規(guī)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)是考查的熱點(diǎn)。如何突破電學(xué)實(shí)驗(yàn)這個(gè)壁壘呢？只有從最基本的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材選擇、實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析等方面去認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)才能做到胸有成竹。下面就來討論電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本要點(diǎn)。

一、實(shí)驗(yàn)原理

電學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理主要包括以下四類：測(cè)元件的電阻、測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、多用電表的使用、測(cè)繪元件的伏安特性曲線等。

二、實(shí)驗(yàn)器材的選擇

電學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)器材的選取要在實(shí)驗(yàn)原理的指導(dǎo)下遵循“安全性”“精確性”“方便調(diào)節(jié)”的原則，合理選擇器材，解決了這個(gè)問題才能設(shè)計(jì)出理想的實(shí)驗(yàn)電路，使得測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。

例1 現(xiàn)有一只額定電壓為2.5 v，額定功率為0.5 W的小燈泡，欲通過實(shí)驗(yàn)較準(zhǔn)確地描繪小燈泡的伏安特性曲線，要求小燈泡兩端電壓在0～2.5 V內(nèi)可調(diào)，提供的實(shí)驗(yàn)器材如下：

A.小燈泡（2.5 V，0.5 W）

B.電壓表（量程0～3 V，內(nèi)阻10 kΩ）

C.電流表（量程0～0.3 A，內(nèi)阻2 Ω）

D.電流表（量程0～10 mA，內(nèi)阻50 Ω）

E.滑動(dòng)變阻器（0～2 000 Ω，0.1 A）

F.滑動(dòng)變阻器（0-10 Ω，1 A）

G.蓄電池（電動(dòng)勢(shì)4V，內(nèi)阻不計(jì)）

H.開關(guān)S，導(dǎo)線若干

選出實(shí)驗(yàn)所需要的器材：____ 。

解析：先選出必需的唯一性器材ABGH。再選變阻器，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)?zāi)康氖且獪y(cè)繪小燈泡的伏安特性曲線，要求電壓調(diào)節(jié)范圍能從O開始，所以選用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法，即選小阻值范圍的滑動(dòng)變阻器F。然后選電流表，因?yàn)樾襞菰试S通過的最大電流I=P/U=0.2 A=200 mA，所以電流表應(yīng)選C。

答案：ABCFGH

三，實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

1.測(cè)量電路中電流表的內(nèi)接法（如圖1甲）和外接法（如圖1乙）。

一般控制電路中滑動(dòng)變阻器選擇限流式接法，因?yàn)橄蘖魇诫娐份^節(jié)能。而以下四種控制電路中必須選用分壓式接法：（1）實(shí)驗(yàn)要求電壓或電流從零開始調(diào)節(jié);（2）實(shí)驗(yàn)要求電壓調(diào)節(jié)范圍足夠大，或者盡量多地獲取數(shù)據(jù);（3）滑動(dòng)變阻器的最大阻值與待測(cè)電阻相比差距較大，尤其是滑動(dòng)變阻器的最大阻值比待測(cè)電阻小得多的情況，因?yàn)榇藭r(shí)若采用限流式接法，則幾乎起不到調(diào)節(jié)電流和電壓的作用;（4）若采用限流式接法將滑動(dòng)變阻器的全阻值接入電路，電路中的電流的最小值仍然超出用電器允許通過的最大電流，則必須采用分壓式接法。

例3 一小燈泡上標(biāo)有“6 v 0.1 A”字樣，現(xiàn)要測(cè)繪這個(gè)小燈泡的伏安特性曲線，有下列器材供選用：

A.電壓表（量程0-3 V，內(nèi)阻約為2 kΩ）

B.電壓表（量程0～10 V，內(nèi)阻約為3 kΩ）

C.電流表（量程0～0.3 A，內(nèi)阻約為3 Ω）

D.電流表（量程0-6 A，內(nèi)阻約為1.5 Ω）

E.滑動(dòng)變阻器（0—30 Ω，2 A）

F.學(xué)生電源（直流9 V）及開關(guān)、導(dǎo)線等

（1）實(shí)驗(yàn)中所用的器材為

。

（2）畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，要求電壓從0開始測(cè)量。

解析：（1）因?yàn)樾襞莸念~定電壓是6V，所以電壓表應(yīng)選用B;因?yàn)樾襞菟谥返碾娏鞑粫?huì)超過0.1 A，所以電流表應(yīng)選用C。因此實(shí)驗(yàn)中所用的器材為BCEF。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)處理是根據(jù)實(shí)驗(yàn)器材的讀數(shù)，借助實(shí)驗(yàn)原理，如歐姆定律、閉合電路歐姆定律和電路的串并聯(lián)知識(shí)等，找出待測(cè)量和實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹g的關(guān)系。

例4 一課外實(shí)驗(yàn)小組用如圖4所示的電路測(cè)量某待測(cè)電阻R的阻值，圖中R。為標(biāo)準(zhǔn)定值電阻（R0=20.0 Ω），V可視為理想電壓表，S1為單刀開關(guān)，S2為單刀雙擲開關(guān)，E為電源，R為滑動(dòng)變阻器。采用如下步驟完成實(shí)驗(yàn)：（1）按照實(shí)驗(yàn)電路圖，完成圖5中的實(shí)物連線。（2）將滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)端置于適當(dāng)?shù)奈恢茫]合開關(guān)S1。（3）將開關(guān)S2擲于1端，改變滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)端的位置，記下此時(shí)電壓表的示數(shù)U1;然后將開關(guān)S2擲于2端，記下此時(shí)電壓表的示數(shù)U2。（4）待測(cè)電阻阻值的表達(dá)式Rx=___ （用

點(diǎn)評(píng)：本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理是通過串、并聯(lián)電路的電壓分配特點(diǎn)和電流相等的特點(diǎn)找出測(cè)量量中的電壓和待測(cè)電阻之間的關(guān)系，利用歐姆定律列出相關(guān)方程，從而解出待測(cè)電阻阻值的。

五，實(shí)驗(yàn)誤差的分析

實(shí)驗(yàn)誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。通過多測(cè)幾次取平均值或者畫一次函數(shù)圖像的方式，可以達(dá)到減小偶然誤差的目的。要想減小系統(tǒng)誤差除了更換高精度器材完成實(shí)驗(yàn)，還可以從分析系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原理，設(shè)計(jì)避開系統(tǒng)誤差的實(shí)驗(yàn)方案來實(shí)現(xiàn)。

例5 現(xiàn)測(cè)定長(zhǎng)金屬絲的電阻率。

（1）用螺旋測(cè)微器測(cè)量金屬絲直徑的結(jié)果如圖7所示，其讀數(shù)是____mm.

（2）已知一段金屬絲的電阻Rx約為100 Ω，請(qǐng)利用下列器材設(shè)計(jì)一個(gè)電路，盡量準(zhǔn)確地測(cè)量這段金屬絲的電阻。畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，并標(biāo)明器材代號(hào)。

電源E（電動(dòng)勢(shì)10 V，內(nèi)阻約為10 Ω），電流表A1（量程0～250 mA，內(nèi)阻R1 =5 Ω），電流表A2（量程0～300 mA，內(nèi)阻約為5 Q），滑動(dòng)變阻器R（最大阻值10 Ω，額定電流2 A），開關(guān)S及導(dǎo)線若干。

（3）某同學(xué)設(shè)計(jì)方案正確，測(cè)量得到電流表A1的讀數(shù)為I1，電流表A2的讀數(shù)為I2，則這段金屬絲電阻的計(jì)算式Rx=____ 。從設(shè)計(jì)原理看，其測(cè)量值與真實(shí)值相比 ____（選填“偏大”“偏小”或“相等”）。

解析：（1）根據(jù)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)規(guī)則可知，讀數(shù)為0+20.0×0.01 mm=0. 200 mm。

（2）因題目提供的實(shí)驗(yàn)器材中沒有電壓表，電流表Ai的內(nèi)阻已知，故可以將電流表A1改裝為電壓表使用;因滑動(dòng)變阻器的總阻值較小，為了使電路中的電流或電壓調(diào)節(jié)范圍盡量大些，故應(yīng)采用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法。實(shí)驗(yàn)電路如圖8所示。

點(diǎn)評(píng)：本題的實(shí)驗(yàn)原理是安安法測(cè)電阻，因?yàn)殡娏鞅鞟1的內(nèi)阻已知，它分擔(dān)的電壓可準(zhǔn)確計(jì)算，所以再根據(jù)串并聯(lián)電路的知識(shí)就能把待測(cè)電阻的阻值準(zhǔn)確計(jì)算出來。本實(shí)驗(yàn)巧妙地避開了系統(tǒng)誤差的影響，使得測(cè)量值和真實(shí)值相等。

（責(zé)任編輯 張巧）