建立功能電路觀點解決電路實驗問題お

田鵬

高中電學實驗問題形式多樣，變化靈活，是學習的難點所在.學生在做電學實驗題時往往不能理解實驗原理，不會畫實驗電路圖，無法根據(jù)實驗條件進行計算以完成實驗目的，在教學中發(fā)現(xiàn)這類題目學生得分率極低.針對這種情況，本文從電路模型的建立和對功能電路的識別出發(fā)，給出一種解決電路實驗問題的思路.

1功能電路

按照功能劃分電路，是電子線路的觀點，將此觀點運用于高中電路的學習，有助于搞清楚電路各部分的作用，實踐證明，這種觀點和方法是卓有成效的.高中階段按照功能電路的觀點來看，電路可分為四種或四部分，分別是供電電路，測量電路，保護電路和校對電路，其中主要的是供電電路和測量電路.

1.1供電電路

顧名思義，供電電路負責給電路供電，一般包括電源和滑動變阻器兩個元件.供電電路有三種方式：

第一種是初中學過的、拿電源直接給用電器供電；

第二種就是高中學過的分壓式供電電路，如圖1所示；

第三種就是限流式供電電路，如圖2所示.

關(guān)于供電電路是選擇分壓式還是限流式已有多篇文章分析過，本文不再贅述，只用16字簡單總結(jié)一下：零起必分，滑小必分，滑大可限，燒表必分.

1.2測量電路

顧名思義，測量電路負責對電路中的相關(guān)量進行測量，因為高中物理中的電學測量工具只有電壓表和電流表及萬用電表，故而測量電路這部分主要就是伏安電路.由于電表本身有內(nèi)阻，方法上又分為外接法和內(nèi)接法，外接法適合測量小電阻，測量值小于真實值，內(nèi)接法適合測量大電阻，測量值大于真實值，可簡單總結(jié)為“外小內(nèi)大”.需要注意的是，測量電路它具有的就是測量功能，故而電路中相關(guān)量的測量與計算只看這部分電路即可，不需去管供電電路.

1.3保護電路

保護電路實際上就是一個電阻，它負責保護測量電路.一般是在供電電路和測量電路對接的時候接保護電路即可.

1.4校對電路

這種電路主要是在把電表改裝后需要與標準表進行校對，校對不僅僅是把改裝表和標準表連在一起就行了，我們需要給它提供一個完整的電路，這個電路就叫校對電路.

有了功能電路的思想后，我們再看電學實驗主要測什么.

2三個測量

高中電學實驗歸納起來就是三個測量：測電阻，測電表，測電源.

測電阻就是測量電阻的阻值，測電表就是測非理想電表的內(nèi)阻，測電源就是測電源電動勢和內(nèi)電阻.那么這些量的測量各有幾種方法？

2.1測電阻

測電阻可歸納為以下幾種方法： ①歐姆表法；②電阻的決定式；③伏安法；④比例法；⑤等效替代法.

其中等效替代法不僅是高中物理任何一個實驗都可以用的方法，更是一個用途廣泛、道理簡單、使用方便的方法，應該引起我們的高度重視.

2.2測電表（的內(nèi)電阻）

測電表可歸納為以下幾種方法：①歐姆表法；②伏安法；③比例法（半偏法）；④等效替代法.

由于測電表的內(nèi)電阻本質(zhì)上仍然是測電阻，故而測量方法與測電阻的方法基本一致.但是電表本身能夠自報讀數(shù)，在知道電表內(nèi)阻的情況下可以伏安互換，一表三用，就又衍生出了許多測量方法，但仍然體現(xiàn)了測電阻的共性方法.

2.3測電源（的電動勢和內(nèi)電阻）

測電源可歸納為以下幾種方法：①兩表一電阻；②一表兩定阻；③理想電表法.

該實驗從原理上來講就是閉合電路歐姆定律，需要關(guān)注測量電路，對閉合電路歐姆定律變形得出符合圖象的函數(shù)表達式，結(jié)合圖象由斜率和截距等來求電動勢和內(nèi)阻.

3舉例說明

例1實驗室備有以下器材：

待測電阻Rx；

不能看作理想表的電流表A；

不能看作理想表的電壓表V；

滑動變阻器R1；

電阻箱R（最大阻值大于待測電阻的估計值）；

低壓直流電源，導線、開關(guān)若干.

（1）利用所提供的器材，設(shè)計一個測量R的實驗方案，要求避免由于電壓表和電流表不能看作理想表對實驗造成的誤差.畫電路圖.

（2）簡述實驗原理、實驗步驟.

解析首先明確實驗目的就是測電阻，但題目中給的是非理想表，而且要避免由于非理想表引起的誤差，那么在測電阻的五個方法里面篩選，歐姆表法和電阻的決定式法不能用，伏安法必須考慮電表的內(nèi)阻，也不能用，剩下的就是[TP1GW113.TIF，Y#]比例法和等效替代法，很顯然，等效替代法是最簡單的，因此從方法上選擇等效替代法.

接好的電路如圖3.

在等效替代法中，被測物和替代物不能同時接入電路中，因此我們用了兩個開關(guān)加以控制.要讓它完成實驗必須要有供電，我們用了一個限流的電源.

主要的實驗步驟就是：（1）閉合總開關(guān)S3，然后閉合S1，使被測電阻Rx接入電路，讀出電流表的讀數(shù)；（為了讀數(shù)方便，我們可以調(diào)節(jié)滑動變阻器得到一個比較方便的讀數(shù)，其實這個地方的電流表只起一個記錄的作用） （2）斷開S1，閉合S2，使電阻箱接入電路，調(diào)節(jié)電阻箱，使電流表的示數(shù)重復出現(xiàn)，這時電阻箱的示數(shù)就是待測電阻的阻值.

我們完成一個實驗，首先要知道它測什么，知道這個測量有幾種方法，再根據(jù)已給出的器材就能夠決定我們用什么方法，就能夠畫出相應的電路圖.

例2從下表中選出適當?shù)膶嶒炂鞑?，設(shè)計一個電路來測量電流表A1的內(nèi)阻.要求方法簡潔，有盡可能高的測量精度，并能測得多組數(shù)據(jù).

（1）畫出電路圖，標明所用器材代號；

（2）若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算，則所用的表達式是什么？各符號的物理意義是什么？

[HT6][WB]器材：[WB]規(guī)格：

[DW]電流表A1（待測物）[DW]量程10 mA，內(nèi)阻r1待測（約40 Ω）

[DW]電流表A2[DW]量程500 μA，內(nèi)阻r2=750 Ω

[DW]電壓表V [DW]量程10 V，內(nèi)阻r3=10 kΩ

[DW]電阻R1[DW]阻值約為100 Ω做保護電阻用

[DW]滑動變阻器R2[DW]總電阻約為50 Ω

[DW]電池E[DW]電動勢1.5 V，內(nèi)阻很小

[DW]電鍵S

[DW]導線若干

解析首先明確實驗目的是測電表內(nèi)阻，那么思考改用什么測量方法呢？由測電表的四種方法，很多同學容易想到伏安法，那么我們畫出伏安法的測量電路這一部分，一般有三種畫法： 我們比較三種做法，第一種（見圖4），原理正確，但被測物是電表，可以自報讀數(shù)，只需要再測出表A1的電壓即可，這里多用了一塊電表，不符合“方法簡單”的要求；第二種（見圖5），比第一種簡單，但根據(jù)已知條件電壓表的量程是10 V，電源的電動勢是1.5 V，即使將電源直接接到電壓表上，表針的擺動幅度也只有1.5/10格，無法達到比較高的測量精度，這個缺點在第一種圖中也同樣存在；第三種（見圖6），因電表A2的內(nèi)阻已知，所以可以把它當電壓表來用，即伏安互換，互換之后的量程是否滿足要求呢？根據(jù)已知條件A1的滿偏電流10 mA，內(nèi)電阻約為40 Ω，那么這個表的滿偏電壓是0.4 V.A2的滿偏電流500 μA，內(nèi)電阻750 Ω，那么這個表的滿偏電壓0.375 V，量程相近，滿足題目要求.

由于被測量的表達式只由測量電路決定，與其它電路無關(guān)，所以畫出測量電路后，被測物理量的表達式自然出現(xiàn)，

下面我們看該電路的其它部分：

在圖7中使用的是限流式的供電電路，用分壓式可以嗎？當然可以.用電源直接供電呢？不行，因為它不能滿足題目測量多組數(shù)據(jù)的要求.

另外，保護電路就是一個電阻（見圖8），在測量電路和供電電路對接的時候加上這個保護電阻即可，教學中發(fā)現(xiàn)，很多學生不能識別定值電阻的用途，不知道它是做保護電路使用，故而出現(xiàn)了許多不應該出現(xiàn)的問題.

例3如圖9所示，圖中E為直流電源，R為已知電阻，V為理想電壓表，其量程略大于電源電動勢，S1和S2是開關(guān)，現(xiàn)要利用圖中電路測量電源的電動勢E和內(nèi)阻r，試寫出主要實驗步驟及結(jié)果的表達式.

解析實驗目的是測電源電動勢和內(nèi)電阻，題中給了一個理想電壓表，并且量程大于電源電動勢，篩選測電源的方法，可以用理想電壓表直測.把S1斷開，S2閉合，則電壓表的讀數(shù)U1就是電源電動勢.

內(nèi)電阻怎么測呢？再閉合S1，此時外電路閉合，電壓表測的就是路端電壓而不是電動勢了，電壓表讀數(shù)記為U2，然后根據(jù)閉合電路歐姆定律即可求出內(nèi)電阻.得E=U1，r=[SX（]U1-U2[]U2[SX）]R.

以上三個例題較典型的說明了用功能電路的觀點解決電路實驗問題的基本思路，教學中要緩慢滲透，通過典型例題使學生建立起閱讀電路的基本思路，進而把電路劃分成各功能部分，明確各部分的作用，才能較好的解決電路實驗問題.