论文部分内容阅读
电学实验设计是物理高考的一种重要实验题型。但历年来考生在这种题型中的得分不高，是高考理综失分的主要原因之一。这主要是考生对电学实验设计基础掌握不牢，对实验设计的一般步骤不熟悉，没有从基本要求方面去养成设计实验的习惯。本文对实验设计基础谈谈个人观点。
我们先来看看人教版高中物理中电学部分实验（具体内容见人教版高二物理课本）。
1. 测金属丝的电阻率：本实验中被测金属导线的电阻值较小，因此实验电路必须采用电流表
外接法，因测量次数少而采用了滑动变阻器的限流式接法。
2.描绘小灯泡的伏安特性曲线：（1）.本实验中，因被测小灯泡灯丝电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法.（2）.因本实验要作I-U图线，要求测出一组包括零在内的电压、电流值，因此变阻器要采用分压接法.
3.测电源的电动势和内阻：因为电源内阻很小，采用安培表内接法。
4.半偏法测电流表的内阻：校对新改装的电压表时因校对数据多而采用了滑动变阻器的分压式接法。
分析上述各实验可以发现，每一实验都用到了滑动变阻器来控制电路，对电流表的接法也有很严格的要求，器材的选择也是十分重要的。由此可以归纳出电学实验设计的主要做好以下三个方面：一、选择控制电路的选择 ；二、选择测量电路；三、选择实验器材。
一、选择控制电路：图1和图2是滑动变阻器的限流接法和分压接法.。按如下方法选择不同的接法：
（1）要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。
（2）负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。
（3）采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。
（4）负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。
（5）两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流电路结构简单，总功率较小。
二、选择测量电路：电流表的内外接法。图3为外接法，图4为内接法。按如下的方法选择不同的接法：
（1） 当 RV>>RX时，采用电流表“外接法”；
（2） 当 RX>>RA时，采用电流表“内接法”
（3）在RV、RA均不知的情况下，可采用试触法。
如图5所示，分别将a端与b、c接触，如果前后两次电流表示数比电压表示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表压作用大，应采用外接法。
三、选择实验器材
⑴考虑安全因素：通过电源、电表、电阻的电流不能超过允许的最大电流
⑵考虑误差因素：选择电表时，保证电流和电压均不超过其量程.使指针有较大偏转（一般取满偏度的1/3 ～ 2/3之间）；使用欧姆表选档时让指针尽可能在中值刻度附近。其中电流表的量程的可由电源与电路中所有定值电阻总值的比来选取（量程大于这个比值），电压表量程一般由电源的大小来选取（大于电源电压）。
⑶要便于操作：选滑动变阻器时，要考虑其允许通过的最大电流和其电压调节范围，又要操作方便（即灵敏度问题）。
（4）考虑实验的实际要求。
例题1：有一个电阻Rx，其阻值大约为10Ω，要测量其阻值.请选择适当的器材， 合理设计，并画出实验电路图. 可供选择的器材如下：
电源E（电动势为4.5V，内阻不计）
电压表V1（量程为5V，内阻为10KΩ）
电压表V2（量程为3V，内阻为6KΩ）
电流表A1（量程为300mA，内阻为4Ω）
电流表A2（量程为500mA，内阻为2Ω）
滑动变阻器R1 （最大阻值20Ω，额定电流1.5A）
滑动变阻器R2 （最大阻值500Ω，额定电流0.5A ）
开关和若干导线
分析：控制电路的选择：测定电阻时一般采用测量求平均值的方法，但次是不多，因此可选择使用滑动变阻器的限流式接法；测量电路的选择：估算电路最大电流为Im=E/RX=450mA，电流表应选择A2，其内阻4Ω，与RX= 10Ω相差不远，应选择电流表的外接法。电源电压为4.5V，电压表应选择V1。电路如图6所示。
例题2：有一小灯泡（4.5V 2W）， 要描绘其伏安特性图线.请选择适当的器材， 合理设计，并画出实验电路图. 可供选择的器材如下：
电源E（电动势为4.5V，内阻不计）
电压表V1（量程为5V，内阻为10KΩ）
电压表V2（量程为3V，内阻为6KΩ）
电流表A1（量程为300mA，内阻为4Ω）
电流表A2（量程为500mA，内阻为2Ω）
滑动变阻器R1（最大阻（下转第28页）（上接第34页）值20Ω，额定电流1.5A）
滑动变阻器R2 （最大阻值500Ω，额定电流0.5A ）
开关和若干导线
分析：控制电路的选择：由于要描绘图线，所以测量数据比较多，且应当从零调起，应该选用滑动变阻器的分压式接法，此时变阻器电阻取值一般较小，这里选择R1。测量电路的选择：由灯泡的额定功率和额定电压可知电流表应A2，而A2内阻为2Ω，灯泡正常工作时电阻大概是6Ω，如果内接A2分压严重应选择外接法。由电源电压知电压表应V1。电路如图7所示。
我们先来看看人教版高中物理中电学部分实验（具体内容见人教版高二物理课本）。
1. 测金属丝的电阻率：本实验中被测金属导线的电阻值较小，因此实验电路必须采用电流表
外接法，因测量次数少而采用了滑动变阻器的限流式接法。
2.描绘小灯泡的伏安特性曲线：（1）.本实验中，因被测小灯泡灯丝电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法.（2）.因本实验要作I-U图线，要求测出一组包括零在内的电压、电流值，因此变阻器要采用分压接法.
3.测电源的电动势和内阻：因为电源内阻很小，采用安培表内接法。
4.半偏法测电流表的内阻：校对新改装的电压表时因校对数据多而采用了滑动变阻器的分压式接法。
分析上述各实验可以发现，每一实验都用到了滑动变阻器来控制电路，对电流表的接法也有很严格的要求，器材的选择也是十分重要的。由此可以归纳出电学实验设计的主要做好以下三个方面：一、选择控制电路的选择 ；二、选择测量电路；三、选择实验器材。
一、选择控制电路：图1和图2是滑动变阻器的限流接法和分压接法.。按如下方法选择不同的接法：
（1）要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。
（2）负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。
（3）采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。
（4）负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。
（5）两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流电路结构简单，总功率较小。
二、选择测量电路：电流表的内外接法。图3为外接法，图4为内接法。按如下的方法选择不同的接法：
（1） 当 RV>>RX时，采用电流表“外接法”；
（2） 当 RX>>RA时，采用电流表“内接法”
（3）在RV、RA均不知的情况下，可采用试触法。
如图5所示，分别将a端与b、c接触，如果前后两次电流表示数比电压表示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表压作用大，应采用外接法。
三、选择实验器材
⑴考虑安全因素：通过电源、电表、电阻的电流不能超过允许的最大电流
⑵考虑误差因素：选择电表时，保证电流和电压均不超过其量程.使指针有较大偏转（一般取满偏度的1/3 ～ 2/3之间）；使用欧姆表选档时让指针尽可能在中值刻度附近。其中电流表的量程的可由电源与电路中所有定值电阻总值的比来选取（量程大于这个比值），电压表量程一般由电源的大小来选取（大于电源电压）。
⑶要便于操作：选滑动变阻器时，要考虑其允许通过的最大电流和其电压调节范围，又要操作方便（即灵敏度问题）。
（4）考虑实验的实际要求。
例题1：有一个电阻Rx，其阻值大约为10Ω，要测量其阻值.请选择适当的器材， 合理设计，并画出实验电路图. 可供选择的器材如下：
电源E（电动势为4.5V，内阻不计）
电压表V1（量程为5V，内阻为10KΩ）
电压表V2（量程为3V，内阻为6KΩ）
电流表A1（量程为300mA，内阻为4Ω）
电流表A2（量程为500mA，内阻为2Ω）
滑动变阻器R1 （最大阻值20Ω，额定电流1.5A）
滑动变阻器R2 （最大阻值500Ω，额定电流0.5A ）
开关和若干导线
分析：控制电路的选择：测定电阻时一般采用测量求平均值的方法，但次是不多，因此可选择使用滑动变阻器的限流式接法；测量电路的选择：估算电路最大电流为Im=E/RX=450mA，电流表应选择A2，其内阻4Ω，与RX= 10Ω相差不远，应选择电流表的外接法。电源电压为4.5V，电压表应选择V1。电路如图6所示。
例题2：有一小灯泡（4.5V 2W）， 要描绘其伏安特性图线.请选择适当的器材， 合理设计，并画出实验电路图. 可供选择的器材如下：
电源E（电动势为4.5V，内阻不计）
电压表V1（量程为5V，内阻为10KΩ）
电压表V2（量程为3V，内阻为6KΩ）
电流表A1（量程为300mA，内阻为4Ω）
电流表A2（量程为500mA，内阻为2Ω）
滑动变阻器R1（最大阻（下转第28页）（上接第34页）值20Ω，额定电流1.5A）
滑动变阻器R2 （最大阻值500Ω，额定电流0.5A ）
开关和若干导线
分析：控制电路的选择：由于要描绘图线，所以测量数据比较多，且应当从零调起，应该选用滑动变阻器的分压式接法，此时变阻器电阻取值一般较小，这里选择R1。测量电路的选择：由灯泡的额定功率和额定电压可知电流表应A2，而A2内阻为2Ω，灯泡正常工作时电阻大概是6Ω，如果内接A2分压严重应选择外接法。由电源电压知电压表应V1。电路如图7所示。