高中物理電學(xué)中電路與器材的選擇分析

應(yīng)傲華

[摘 要]電學(xué)實驗是高中物理的重點也是必考點，本文結(jié)合高考考綱的要求以及高中物理的知識內(nèi)容，在安全、準(zhǔn)確、適用、方便的原則上，總結(jié)了電學(xué)實驗器材的選擇方法和電學(xué)供電電路、測量電路的選擇方法。

[關(guān)鍵詞]高中物理 電學(xué)實驗 電路選擇 器材選擇

中圖分類號：G63.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）29-0258-01

1.前言

物理是一門一實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。[1]作為高中物理實驗教學(xué)的重點，電學(xué)實驗設(shè)計是每個高中生必備的基本實驗操作技能。此外，高中物理電學(xué)實驗是近幾年全國卷高考實驗題的必考題，考試形式多樣化，需要我們通過實驗，將所學(xué)的理論知識運用到實驗操作中，學(xué)會正確合理地選擇實驗電路與器材，在明確實驗?zāi)康牡幕A(chǔ)上，選擇合適的電源、電壓表、電流表以及滑動變阻器。

2.電路與器材選擇的基本原則

2.1 安全原則

在電學(xué)實驗的過程中，安全原則是基本的原則之一，電路短路、接線柱接反、電流表燒毀、電壓表燒毀、電表的讀數(shù)超過量程等，這些都是常見的安全問題，一旦出現(xiàn)這些事故，不僅會造成器材的損壞，而且可能導(dǎo)致實驗人員的傷亡。所以我們在參與實驗的過程中，要注意安全。

2.2 準(zhǔn)確原則

盡可能地保證電學(xué)實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的精準(zhǔn)，降低實驗誤差，這就是準(zhǔn)確原則。一般來說，電學(xué)實驗的準(zhǔn)確原則包括實驗電路選擇的準(zhǔn)確性和實驗器材選擇的準(zhǔn)確性兩個方面。因此，我們可以依據(jù)電學(xué)實驗提供的已知條件，對電壓、電流等數(shù)據(jù)進行估算，由估算結(jié)果選取適當(dāng)?shù)膶嶒炿娐泛蛯嶒炂鞑摹2]

2.3 適用原則與方便原則

選擇合適的電路和器材進行實驗，避免出現(xiàn)讀數(shù)超過量程等問題，這就是適用原則。方便原則指的是在安全原則、準(zhǔn)確原則和適用原則的基礎(chǔ)上，選擇合理的實驗電路和器材，盡量簡化實驗線路，促使電路實驗進行得更加方便快捷。

3.器材的選擇

3.1 電源的選擇

在電學(xué)實驗中，電源的選擇要依據(jù)實驗的要求而定。一般情況下，打點計時器采用低壓交流電源，電火花計時器采用頻率為50Hz的交流電源，測量內(nèi)電阻或者電動勢的實驗一般采用干電池作為電源，描繪等勢線的電學(xué)實驗采用6V的直流電源。

3.2 電壓表和電流表的選擇

電壓表和電流表是高中物理實驗常見的關(guān)鍵器材，其選擇直接影響到實驗的效果，要根據(jù)電源參數(shù)、最大電流值、額定電壓、額定電流等來選擇合適的電壓表和電流表。[3]第一，從電源參數(shù)入手。由電源參數(shù)，我們可以確定電壓表或者電流表的大致量程范圍。例如，在測量電源內(nèi)阻時，如果實驗選定2節(jié)干電池作為實驗電源，那么電壓表只需要選用一個0-3V的量程；第二，從最大電流值入手。依據(jù)實驗電路、實驗器材和電路的連接方式，初步確定該電路的最大電流值，據(jù)此可以選擇量程大于最大電流值的電流表就可以滿足工作需求；第三，從額定電壓或者額定電流入手。當(dāng)電學(xué)實驗明確給出實驗器材的額定電壓、額定電流等額定參數(shù)時，可以依據(jù)這些額定值去選取合適的電壓表、電流表。

4.電路的選擇

4.1 供電電路的設(shè)計思路

為了改變流過待測電阻的電流，或者改變待測電阻兩端的電壓，通常將供電電源與滑動變阻器進行連接，有限流接法與分壓接法兩種連接方式，分別如圖1、2所示。

（一）限流接法的供電電路選擇

如圖1所示，在限流接法的供電電路a、b兩個輸出端接上負(fù)載電阻RX后，負(fù)載電阻兩端電壓的可調(diào)節(jié)范圍為-E，電壓無法從零開始調(diào)節(jié)。但是，限流接法的供電電路操作便捷、結(jié)構(gòu)簡單、耗電量小，通常優(yōu)先考慮這種電路。

此外，根據(jù)限流接法的特點，負(fù)載電阻的阻值一般較小，調(diào)節(jié)電路時，要先將滑動變阻器的滑片置于最大阻值處，再逐步調(diào)節(jié)滑片，使其達(dá)到合適的狀態(tài)。

（二）分壓接法的供電電路選擇

從圖2可知，分壓接法的供電電路中，負(fù)載電阻兩端電壓的可調(diào)節(jié)范圍為0-E，也就是說，負(fù)載電阻兩端的電壓可以從零開始調(diào)節(jié)。例如，在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，要求小燈泡的電壓從零開始，并且有足夠大的電壓調(diào)節(jié)范圍，就只能選擇分壓接法。

當(dāng)實驗中提供的滑動變阻器阻值較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻時，此事選擇限流接法無法調(diào)節(jié)電壓與電流，也必須采用分壓接法。

4.2 測量電路的設(shè)計思路

由歐姆定律可以知道，電阻的阻值，因此，通過測量待測電阻兩端的電壓U以及流過待測電阻的電流I，就可以計算得到待測電阻的阻值R。但是，我們在測量電流時，需要將電流表串聯(lián)在電路中。當(dāng)我們將電流表串聯(lián)在電壓表的測量范圍之內(nèi)，稱之為“內(nèi)接法”；當(dāng)我們將電流表串聯(lián)在電壓表的測量范圍之外，稱之為“外接法”。[4]

（一）內(nèi)接法的測量電路選擇

如圖3所示，待測電阻的阻值IX等于電流表的示數(shù)IA，即待測電阻的電流測量是準(zhǔn)確的，不存在系統(tǒng)誤差。然而電壓表的示數(shù)UV等于待測電阻兩端的電壓UX加上電流表的分壓值UA，因此，用內(nèi)接法測量得到的待測電阻的測量值大小RX測=，大于待測電阻的實際阻值RX真=，也就是說，測量結(jié)果偏大。

由以上分析可知，當(dāng)待測電阻兩端的電壓UX遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流表的分壓值UA，即待測電阻的阻值RX遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流表的內(nèi)阻RA時，可以忽略由于電流表分壓而帶來的系統(tǒng)誤差。換句話說，內(nèi)接法適合測量大電阻，測量結(jié)果大于真實值。

（二）外接法的測量電路選擇

如圖4所示，待測電阻兩端的電壓UX等于電壓表的示數(shù)UV，即待測電阻的電壓測量是準(zhǔn)確的，不存在系統(tǒng)誤差。但是，電流表的示數(shù)IA等于流過待測電阻的電流IX加上電壓表的分流值IV，因此，用外接法測量得到的待測電阻的測量值大小RX測=，小于待測電阻的實際阻值RX真=，也就是說，測量結(jié)果偏小。

由以上分析可知，當(dāng)流過待測電阻的電流IX遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓表的分流值IV，即待測電阻的阻值RX遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電壓表的內(nèi)阻RV時，可以忽略由于電壓表分流而帶來的系統(tǒng)誤差。換句話說，外接法適合測量小電阻，測量結(jié)果小于真實值。

5.結(jié)束語

在高中階段，學(xué)習(xí)和解答電學(xué)實驗的相關(guān)習(xí)題時，應(yīng)該從安全、準(zhǔn)確、適用和方便的基本原則出發(fā)，根據(jù)實驗?zāi)康?，選擇需要的實驗電路和實驗器材，并結(jié)合所學(xué)的知識體系，依照實驗流程開展實驗。電學(xué)實驗只有選取了合適的電路和器材，才能確保實驗的安全性、高效性和科學(xué)性。

參考文獻

[1] 王丕廣.高考物理實驗與高中物理教學(xué)[D].山東師范大學(xué)，2009.

[2] 呂少永.高中物理電學(xué)實驗器材和電路的選擇分析[J].中學(xué)課程資源，2015（10）：61-62.

[3] 徐君生.電學(xué)實驗中器材、電路選擇的一般原則[J].高中數(shù)理化，2014（02）83-87.

[4] 李峰.高中物理電學(xué)實驗教學(xué)中系統(tǒng)誤差分析的方法[J].高等函授學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（03）：101-102.