幫助學(xué)生有效把握電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)問(wèn)題

李之東

【摘要】電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查涉及電流表的內(nèi)接與外接，滑動(dòng)變阻器的限流與分壓。常規(guī)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)有測(cè)定金屬絲的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)、測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、多用電表的使用，其中前三個(gè)實(shí)驗(yàn)均是伏安法，涉及到電壓表與電流表的使用，由于實(shí)驗(yàn)中的電表不是理想電表，造成實(shí)驗(yàn)存在誤差，為了減小誤差，在儀器的選擇上、電流表的內(nèi)外接法上、變阻器的限流和分壓上都要合理選擇。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)原則；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?nèi)接法；外接法；限流式；分壓式

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是選修3-1《恒定電流》這一章的內(nèi)容，是高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要有四個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)：測(cè)定金屬絲的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)、測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、練習(xí)使用多用電表，其中涉及到的知識(shí)有電路的設(shè)計(jì)，儀器的選擇、使用和讀數(shù)，內(nèi)容繁而雜，很多學(xué)生一輪復(fù)習(xí)完后還是一知半解，做題也是云里霧里。如何幫助學(xué)生有效把握電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)問(wèn)題，本文根據(jù)實(shí)際課堂教學(xué)和歷屆高考模式與題型，從基本的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原則與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿矫婕右愿爬ā?/p>

一、基本實(shí)驗(yàn)方法

（一）電流表的兩種接法

高中階段，電學(xué)部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)都是依據(jù)伏安法的原理來(lái)完成的，測(cè)定金屬絲的電阻率實(shí)驗(yàn)中涉及伏安法測(cè)電阻，描繪小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)、測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻均使用了電壓表與電流表。因?yàn)閷?shí)際的電表都不是理想電表，電壓表會(huì)分流，電流表會(huì)分壓，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)兩電表就帶來(lái)誤差，下面從“伏安法測(cè)電阻”角度介紹電流表的兩種接法以及如何減小實(shí)驗(yàn)誤差。

1、兩種接法的比較：兩種接法的誤差來(lái)源不同，測(cè)量電阻時(shí)要根據(jù)情況選用合理的接法。

2、兩種接法的選擇：

⑴比值法：若Rx/RA>Rv / Rx用內(nèi)接法，若Rx/RA

⑵試觸法：如圖1所示，將電壓表分別

接在a、c和b、c兩點(diǎn)間時(shí)，觀察兩電

表的示數(shù)變化情況。若電流表示數(shù)變化大，說(shuō)明電壓表流過(guò)的電流大，不可忽略，應(yīng)讓電流表測(cè)實(shí)際電流，選用內(nèi)接法。若電壓表示數(shù)變化大，說(shuō)明電流表分擔(dān)的電壓大，不可忽略，應(yīng)讓電壓表測(cè)實(shí)際的電壓，應(yīng)選用外接法。

（二）滑動(dòng)變阻器的兩種接法

1、兩種接法的比較

由上表可以看出：滑動(dòng)變阻器的分壓式接法中，電壓和電流的調(diào)節(jié)范圍較大，利于得到多組數(shù)據(jù)，限流式接法簡(jiǎn)單而且相對(duì)較節(jié)能。

2、兩種接法的選擇

⑴兩種接法的使用條件

①限流式接法適用于測(cè)阻值小的電阻，相對(duì)滑動(dòng)變阻器總電阻而言，但又不是相差很大，這樣移動(dòng)滑動(dòng)觸頭調(diào)節(jié)范圍大且方便。

②分壓式接法適合測(cè)量大阻值電阻（與滑動(dòng)變阻器的總電阻相比），因?yàn)镽x越大，分壓式中Rx幾乎不影響電壓的分配，滑片移動(dòng)時(shí)，電壓變化明顯，便于調(diào)節(jié)。

通常情況下（滿(mǎn)足安全條件），由于限流電路連接簡(jiǎn)單，耗能較小，分壓式接法較復(fù)雜，而且耗能大，一般優(yōu)先考慮用限流接法。

（2）在下列情況下必須采用分壓式接法：

①實(shí)驗(yàn)要求電壓從零開(kāi)始連續(xù)變化的。

②用限流不能保證實(shí)驗(yàn)儀器的安全，如電路中的最小電流都超過(guò)電流表的量程。

如果實(shí)驗(yàn)所提供的電表量程或電阻元件允許的最大電流很小，采用限流接法時(shí)，無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)，電路中的實(shí)際電流（電壓）都會(huì)超過(guò)電表量程或電阻元件允許的最大電流（電壓），為了保護(hù)電表或電阻元件，必須采用分壓接法，來(lái)得到小電壓（電流）。

③變阻器的總阻值遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻。

這種情況下，采用限流接法時(shí)，即使變阻器的滑動(dòng)片從一端滑至另一端，待測(cè)電阻上的電流（電壓）變化范圍不夠大，得不到多組數(shù)據(jù)，不利于多次測(cè)量求平均值或用圖像法處理數(shù)據(jù)，因此要采用分壓接法。

二、電學(xué)儀器選擇的基本原則

對(duì)于電學(xué)儀器的選擇，應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)方面，通過(guò)粗略的方法進(jìn)行判斷。

1、安全性。安全性是指每個(gè)電路元件上的電流、電壓、電功率不超過(guò)電路元件的額定值。如電源的輸出電流不超過(guò)最大允許值，電壓表兩端所加的最大電壓不超過(guò)量程。

2、精確性。精確性是指引起的誤差，實(shí)驗(yàn)引起的誤差或相對(duì)誤差越小，精確性越高。如使用電流表和電壓表時(shí)指針應(yīng)在滿(mǎn)偏刻度的1/3以上，這樣做是為了減小讀數(shù)帶來(lái)的相對(duì)誤差；在測(cè)量金屬導(dǎo)體的電阻時(shí)為減小溫度對(duì)電阻的影響，通過(guò)電阻絲的電流不宜過(guò)大，通電時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)；還用測(cè)電阻時(shí)外接法、內(nèi)接法的選擇，電流表、電壓表內(nèi)阻大小的考慮等等，都是為了減小誤差提高實(shí)驗(yàn)的精確性。

3、方便性。方便性是指操作方便、讀數(shù)準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等。總阻值較大的滑動(dòng)變阻器，盡管可以安全使用，但如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只用到它很小一部分電阻，就不方便操作，不宜選擇。

4、節(jié)約性。只在不影響以上三個(gè)方面的基礎(chǔ)上，要考慮節(jié)約使用材料，節(jié)約電源消耗等。

三、實(shí)驗(yàn)基本模型

1、伏安法測(cè)電阻包括限流式與分壓式。

2、替代法測(cè)電阻

原理：

課文圖2-1中單刀雙擲開(kāi)關(guān)前后接1與2時(shí)，調(diào)節(jié)電阻箱R使兩次電流表讀數(shù)相同，則Rx=R。

課文圖2-2中單刀雙擲開(kāi)關(guān)前后接1與2時(shí)，調(diào)節(jié)電阻箱R使兩次電壓表讀數(shù)相同，則Rx=R。

3、利用串并聯(lián)電路特點(diǎn)測(cè)量電表的內(nèi)阻

4、描繪小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)

此方案一般不選取，因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)阻測(cè)量值實(shí)際上是真實(shí)內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻之和，在電源內(nèi)阻較小的情況下，相對(duì)誤差超過(guò)100%，測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤。

此實(shí)驗(yàn)因伏安特性曲線(xiàn)不是直線(xiàn)，要求得到小燈泡在不同電壓下的電流，這樣描繪的圖線(xiàn)精確性才高，因此電壓調(diào)節(jié)范圍要大，能夠得到多個(gè)不同電壓，所以采用分壓式接法，并且滑動(dòng)動(dòng)變阻器阻值要比小燈泡的電阻小來(lái)保證燈泡電壓能隨滑片移動(dòng)時(shí)平穩(wěn)變化。

5、測(cè)定金屬絲的電阻率

本實(shí)驗(yàn)測(cè)三組電阻后求平均值即可，不需要很大的電壓調(diào)節(jié)范圍，所以采用限流接法。

6、伏安法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻

通過(guò)以上分析可以可出，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中原理的分析、方案的設(shè)計(jì)、誤差分析，都涉及到了《恒定電流》這章的大部分知識(shí)，如“部分電路的歐姆定律”，“閉合電路的歐姆定律”，“串并聯(lián)電路的電流電壓關(guān)系”，“串并聯(lián)電路功率問(wèn)題”，而且由于題型靈活多變，在具體的實(shí)驗(yàn)題目中能考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、把握和綜合能力，具有很高的選拔性，成為歷年高考的熱點(diǎn)問(wèn)題，尤其是創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)題更是考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的把握與理解，所以在實(shí)際的教學(xué)中從基本實(shí)驗(yàn)方法，基本實(shí)驗(yàn)原則，基本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿胧?，幫助學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)至關(guān)重要。