電學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

孫雪梅

電學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

孫雪梅

孫雪梅/長(zhǎng)春教育學(xué)院理化生系副教授（吉林長(zhǎng)春130061）。

2012年十月筆者擔(dān)任了長(zhǎng)春市初中物理學(xué)科骨干教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能競(jìng)賽的評(píng)委，參加了電學(xué)實(shí)驗(yàn)的評(píng)審。這次競(jìng)賽在現(xiàn)有初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的基礎(chǔ)上略有提高，競(jìng)賽中部分老師在基本儀器的選擇、使用和實(shí)驗(yàn)操作上都暴露出很多問(wèn)題，也有部分老師對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的某些要求知其然而不知其所以然，下面就其中的幾個(gè)共性問(wèn)題作一些探討。

一、電流表和電壓表的正確使用

（一）電流表和電壓表量程的選擇

首先待測(cè)量不能超過(guò)電表的量程，若已知待測(cè)量大小，可直接選擇合適的量程，即待測(cè)量應(yīng)使電表的指針偏轉(zhuǎn)到滿(mǎn)偏刻度的2/3左右。若待測(cè)量大小未知，一般先要用大量程“試觸”，再選擇合適的量程?！霸囉|”即開(kāi)關(guān)瞬間閉合后，立即斷開(kāi)，試觸的作用，一是確定所選電表的量程是否合適；二是檢查電表的連接是否正確。試觸時(shí)速度要快，如果過(guò)慢，當(dāng)指針?lè)雌珪r(shí)則極易被碰彎或遭到損壞，電表只有在指針正偏和量程選擇合適的情況下，才能保證其安全使用和精確測(cè)量。

（二）電流表和電壓表零點(diǎn)校準(zhǔn)

為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確度，電表使用前必須檢查其指針是否指零，若有偏差要進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。競(jìng)賽中多數(shù)老師都忽視了這個(gè)環(huán)節(jié)，在電表使用前沒(méi)有檢查零點(diǎn)并予以校準(zhǔn)，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)零位誤差。還有個(gè)別老師把電表拿在手中調(diào)零，這也是不正確的。正確的方法是：先晃動(dòng)一下電表，查看指針轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，然后把電表放到桌面上，放穩(wěn)后調(diào)零，調(diào)零時(shí)一定要保證視線(xiàn)與表盤(pán)垂直。

（三）電流和電壓的測(cè)量

測(cè)量時(shí)，為減小誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確程度，應(yīng)盡量使電流、電壓測(cè)量值在電表滿(mǎn)偏刻度的2/3以上。這是由于電表本身在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造、材料性質(zhì)等方面不盡完善，使電表的示數(shù)產(chǎn)生一定的誤差，這個(gè)誤差稱(chēng)為基本誤差（即儀器誤差）。電表的基本誤差不因使用者不同而變化，因此它決定了電表所能保證的準(zhǔn)確程度。電表基本誤差的確定方法是，先用一塊電表和一塊標(biāo)準(zhǔn)電表同時(shí)測(cè)量一定的電流或電壓，稱(chēng)之為校準(zhǔn)。兩電表在各刻度上的讀數(shù)差值，稱(chēng)為絕對(duì)誤差，然后選取最大的絕對(duì)誤差△Xm除以電表的量程Xm，即為該電表的基本誤差

根據(jù)基本誤差的大小，可把電表分為不同的準(zhǔn)確度等級(jí)，一般分為 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七個(gè)等級(jí)。其中 0.1 級(jí)、0.2 級(jí)表多用作標(biāo)準(zhǔn)表，校準(zhǔn)其他的電表，0.5級(jí)表多用于精確度較高的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室常用1.0級(jí)電表，而1.5、2.5、5.0級(jí)表為一般測(cè)量用表。用0.1、0.2、0.5級(jí)電表測(cè)量時(shí)，所產(chǎn)生的誤差主要是偶然誤差，系統(tǒng)誤差可忽略；而用1.0級(jí)以上的電表測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)誤差起主要作用，偶然誤差為次要。電表的準(zhǔn)確度等級(jí)k定義為：

當(dāng)所用電表選定，即k一定時(shí)，由上式可計(jì)算出該表的最大絕對(duì)誤差

則測(cè)量值X的相對(duì)誤差為：

由該式可知，要想減小測(cè)量值的相對(duì)誤差E，在待測(cè)量不超過(guò)所選量程的前提下，應(yīng)選用較小的量程Xm。測(cè)量時(shí)測(cè)量值X要盡量接近電表的量程Xm，這樣才能最大限度地達(dá)到電表的固有準(zhǔn)確度。

二、滑動(dòng)變阻器的選擇與使用

（一）滑動(dòng)變阻器在電路中的作用和連接方式

滑動(dòng)變阻器在電路中的作用主要是用來(lái)控制電路中電流或電壓的變化，因此在電路中有兩種連接方式：限流接法和分壓接法。

1.限流接法。如圖一所示，就是把滑動(dòng)變阻器串聯(lián)在電路中，移動(dòng)滑片P時(shí)，bp段電阻改變，整個(gè)回路中的電流隨之改變，所以變阻器在這里起到控制電路中電流大小的作用，即限流作用。

圖1

圖2

2.分壓接法。如圖二所示，就是把變阻器下面的兩個(gè)接線(xiàn)柱b、a分別與電源的兩極相連，滑片P和任一接線(xiàn)柱（圖二中為a）連接到負(fù)載上。電源接通后，電源電壓全部加在ba上，并從pa向負(fù)載輸出一部分電壓Upa，移動(dòng)滑片P，pa段電阻改變，電源加在負(fù)載上的電壓Upa也隨之改變，變阻器起到了分壓的作用。

（二）滑動(dòng)變阻器兩種接法的選擇

一般情況下，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的全阻值大于負(fù)載電阻值時(shí)，選擇限流接法。這時(shí)滑動(dòng)變阻器與負(fù)載串聯(lián)，對(duì)電路電流大小的調(diào)節(jié)作用明顯，但滑動(dòng)變阻器的全阻值不能太大，否則，負(fù)載電壓的變化不夠平穩(wěn)，調(diào)節(jié)起來(lái)極不方便，不利于操作和測(cè)量。反之，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的全阻值小于負(fù)載電阻值時(shí)，選擇分壓接法，這時(shí)滑動(dòng)變阻器對(duì)負(fù)載的分壓作用比較明顯，而且負(fù)載兩端電壓的可調(diào)范圍較大，利于均勻調(diào)節(jié)和測(cè)量。從電路連線(xiàn)和節(jié)能方面看，限流電路比分壓電路簡(jiǎn)單且耗能小，所以在限流、分壓兩種接法均可使用的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用限流接法?？傊瑒?dòng)變阻器兩種接法的選擇，要遵循安全、節(jié)能、方便調(diào)節(jié)、利于測(cè)量的原則，由電路的需要來(lái)決定。

（三）滑動(dòng)變阻器規(guī)格的選擇

選擇滑動(dòng)變阻器的規(guī)格時(shí)要把住“合適”這個(gè)尺度，即實(shí)驗(yàn)時(shí)安全、便于調(diào)節(jié)和讀取數(shù)據(jù)。首先所選滑動(dòng)變阻器的額定電流不能太小，以確保安全，其次所選滑動(dòng)變阻器的全阻值不要太大，要與負(fù)載電阻值匹配，這樣便于調(diào)節(jié)和讀取數(shù)據(jù)。下面筆者就結(jié)合本次競(jìng)賽中伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)，談?wù)勏蘖麟娐分谢瑒?dòng)變阻器規(guī)格的選取。

若選規(guī)格為（0～10Ω，2A）的變阻器，則應(yīng)采用分壓接法，因?yàn)镽0＜Rx。若采用限流接法，電路中的電流I及待測(cè)電阻Rx兩端的電壓可調(diào)范圍較小，不利于多次測(cè)量取平均值。

若選規(guī)格為（0～50Ω，1.5A）的變阻器，相比之下其單位長(zhǎng)度的阻值較大，實(shí)驗(yàn)時(shí)滑片P先是移動(dòng)較長(zhǎng)的距離，電路中的電流和Rx兩端的電壓變化幅度較小，而后移動(dòng)很小的距離即滑片P稍有移動(dòng)，電路中的電流和Rx兩端的電壓就迅速變化，給實(shí)驗(yàn)操作帶來(lái)不便；同時(shí)也使得實(shí)驗(yàn)者只能在變阻器一端一個(gè)很小的范圍內(nèi)移動(dòng)滑片P，才能得到所需要的幾組電流和電壓測(cè)量值，給數(shù)據(jù)測(cè)量帶來(lái)不便。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中有超過(guò)半數(shù)的老師選擇了規(guī)格為（0～50Ω，1.5A）的滑動(dòng)變阻器，實(shí)驗(yàn)中確實(shí)出現(xiàn)了上述問(wèn)題。

總之不管采用限流接法還是分壓接法，實(shí)驗(yàn)時(shí)如果滑動(dòng)變阻器的滑片從一端移到另一端，被測(cè)電流、電壓都無(wú)明顯變化，或滑片P只有在一端一個(gè)極小的范圍內(nèi)移動(dòng)，電路中方能出現(xiàn)所需要的電流和電壓，這都說(shuō)明變阻器規(guī)格選擇不當(dāng)，恰當(dāng)?shù)倪x擇應(yīng)該是：在安全的前提下，滑動(dòng)變阻器在調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)能用到大部分電阻線(xiàn)。

（四）滑動(dòng)變阻器的使用

圖3

圖4

使用滑動(dòng)變阻器時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作的動(dòng)作規(guī)范要求來(lái)做。在移動(dòng)滑片過(guò)程中應(yīng)使用雙手，即一手扶持變阻器，另一只手調(diào)節(jié)滑臂，同時(shí)手不能觸碰到滑動(dòng)變阻器的滑片、線(xiàn)圈、金屬桿等可以導(dǎo)電的部位，見(jiàn)圖3。雖然初中物理實(shí)驗(yàn)中所接觸到的電壓都在安全范圍內(nèi)，一般不會(huì)發(fā)生觸電事故，但老師正確規(guī)范的操作會(huì)對(duì)學(xué)生起到示范作用，使學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣，身教重于言教。本次競(jìng)賽中有許多老師在調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器時(shí)沒(méi)有按規(guī)范要求去做，動(dòng)作隨意，見(jiàn)圖4，這在今后的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該杜絕。

三、電路的連接和儀器的擺放

（一）電路的連接

這次競(jìng)賽中有一個(gè)實(shí)驗(yàn)是要求參賽教師連接一個(gè)混聯(lián)電路。對(duì)于混聯(lián)電路，筆者認(rèn)為有兩種連接方式比較好，一種方式是按照電路圖，從電源的正極開(kāi)始，用導(dǎo)線(xiàn)順次連接各元件，把干路上的器件和任一支路上的器件按串聯(lián)電路連好，最后接到電源的負(fù)極，形成一個(gè)回路，然后再確認(rèn)電路圖中的分支點(diǎn)，再把其他支路并聯(lián)好。另一種方式是從電源的正極開(kāi)始，用導(dǎo)線(xiàn)順次連接各元件，該串聯(lián)的串聯(lián)，該并聯(lián)的并聯(lián)，最后接到電源的負(fù)極，完成整個(gè)電路的連接。這樣連接完成的電路非常清晰，導(dǎo)線(xiàn)走向明確，沒(méi)有交叉，這樣做還有一個(gè)好處就是，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)便于檢查。

連接電路時(shí)，還應(yīng)該注意：每處接線(xiàn)必須接牢，防止虛接。接線(xiàn)時(shí)，接頭要擰緊，為了使接線(xiàn)片接觸良好，應(yīng)充分利用電路中的等位點(diǎn)，避免在一個(gè)接線(xiàn)柱上集中過(guò)多的導(dǎo)線(xiàn)接片，也就是說(shuō)一個(gè)接線(xiàn)柱上的接線(xiàn)片越少越好，一般要求是一個(gè)接線(xiàn)柱不要有三個(gè)及三個(gè)以上接線(xiàn)片。特別是當(dāng)連接電路的導(dǎo)線(xiàn)是導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)頭時(shí)，應(yīng)注意導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)頭在接線(xiàn)柱上的環(huán)繞方向應(yīng)是接線(xiàn)柱螺帽旋緊的方向，否則旋緊螺帽時(shí)導(dǎo)線(xiàn)可能被擠出來(lái)。對(duì)于有墊圈的接線(xiàn)柱，接線(xiàn)片應(yīng)放在兩個(gè)墊圈之間。

（二）儀器的擺放

對(duì)于儀器的擺放，應(yīng)根據(jù)走線(xiàn)合理，便于操作和觀察的原則合理布置儀器，需要操作的儀器放在右手邊便于操作的地方，如開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)變阻器，不需要操作的儀器放在左手邊，如電阻，需要觀察或讀數(shù)的儀表放在正前方，如電壓表、電流表等，電表的表面應(yīng)該正對(duì)著操作者，這樣在觀察和讀數(shù)時(shí)才能保證視線(xiàn)與表盤(pán)垂直，避免產(chǎn)生視差。

圖5和圖6是這次參加伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)中兩位老師所連接的電路

圖5

圖6

圖5電路中存在的主要問(wèn)題是器材擺放不合理。首先是開(kāi)關(guān)放在了最左側(cè)，并且離電表也比較遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)者在閉合開(kāi)關(guān)時(shí)需要觀察電表指針偏轉(zhuǎn)情況，這樣不便于觀察。其次是滑動(dòng)變阻器離實(shí)驗(yàn)者較遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)者在操作時(shí)，身體前傾較大，擋住了面前那塊電壓表，影響觀察讀數(shù)。再者電流表的表面沒(méi)有正對(duì)著實(shí)驗(yàn)者，當(dāng)觀察讀數(shù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)者的視線(xiàn)不能與表盤(pán)垂直，這樣不符合電表的讀數(shù)規(guī)范要求。

圖6所示電路，儀器布局合理，擺放得比較緊湊。需要操作的開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)變阻器放在了右手邊，需要讀數(shù)的電表放在正前方，兩塊表基本并列擺放，這樣有利于觀察讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)者對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的處理也比較有技巧，規(guī)避了因?qū)Ь€(xiàn)較長(zhǎng)所導(dǎo)致的臺(tái)面上看著比較混亂的感覺(jué)，而且方便線(xiàn)路檢查。在線(xiàn)路連接上實(shí)驗(yàn)者選用了紅色和黑色兩種不同顏色的導(dǎo)線(xiàn)按某種規(guī)律搭配連接，看上去清楚、易分辨，這也是一種實(shí)驗(yàn)技巧。

電路連接好后，在接通電源時(shí)要做瞬態(tài)試驗(yàn)，即“試觸”，目的是看看電路中有無(wú)異常情況，若有異常，如儀表指針?lè)雌虺隽砍?，電路打火、冒煙、出現(xiàn)焦臭味或特殊響聲等，應(yīng)立即斷電進(jìn)行檢查。若情況正常，再閉合開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)線(xiàn)路至實(shí)驗(yàn)最佳狀態(tài)?！霸囉|”在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中很重要，初中教學(xué)中要求學(xué)生掌握這種技能，作為教師在實(shí)驗(yàn)時(shí)更應(yīng)該嚴(yán)格按照這一要求來(lái)做。

為了促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的落實(shí)和開(kāi)展，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）修改并增加了對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的要求。電學(xué)實(shí)驗(yàn)是初中物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，在教學(xué)中占有很大的比例，并且電學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和操作規(guī)范要求。面對(duì)新課標(biāo)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的要求，作為初中物理教師還需進(jìn)一步提高自身的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。

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[1]陶純匡，王銀峰，汪濤.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[2]李艷萍，劉志遠(yuǎn)，苑忠英.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[3]劉炳昇，魏日升.初中物理教師實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練[M].北京：高等教育出版社，1993

責(zé)任編輯：郭一鶴