關(guān)于伏安法測電阻電路設(shè)計策略的思考

張菊香

關(guān)鍵詞：模式；模式識別；電阻測量；電路設(shè)計；有效策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）6-0070-3

1 模塊化策略

對于圖1所示電路，按其功能劃分，可分為虛線框Ⅰ內(nèi)的測量電路和Ⅱ內(nèi)的供電電路兩個具有相對獨立功能的子系統(tǒng)。其中，測量電路的設(shè)計原則是兩電表的量程相匹配，即它們的指針能同時達(dá)到較大偏角；而供電電路設(shè)計則要遵循電路安全性、操作方便性和測量準(zhǔn)確性3個基本原則。

基于兩個模塊的特點，電路設(shè)計的一般思維策略是將電路按其功能分為測量電路與供電電路。

2 測量電路模式的構(gòu)建與識別

模式識別是問題解決的一種基本策略，是人們在對所表征事物或現(xiàn)象的各種信息分析和處理的基礎(chǔ)上，對問題進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的思維過程。

在實驗電路設(shè)計中，無論是對給定電表、定值電阻進(jìn)行測量的電路設(shè)計，還是對給定電路原理的理解，都要涉及到電壓、電流的測量模式及其組合方式的識別，為此，在實驗教學(xué)之前，需要有意識地從電壓、電流測量視角系統(tǒng)地規(guī)劃有關(guān)部分例題，并將其歸類總結(jié)而構(gòu)建起電壓、電流測量模式，以便學(xué)生能迅速從記憶儲存中進(jìn)行模式的檢索。

2.1 電壓、電流測量模式的構(gòu)建

關(guān)于電壓、電流的測量，有直接測量和間接測量之分，其中間接測量包括電表的功能轉(zhuǎn)換和定值電阻的使用，具體模式如表1和表2，其中的適用情況對應(yīng)于命題特征。

2.2 測量電路的設(shè)計流程

在構(gòu)建起電壓、電流的基本測量模式后，原則上只需要將它們適當(dāng)組合起來即可設(shè)計測量電路。但是，在實際的電路設(shè)計中，即使只提供一個定值電阻，其電壓、電流測量模式的組合數(shù)目也還是很大。顯然，提升學(xué)生的電路設(shè)計能力，除了引導(dǎo)學(xué)生參與電壓、電流測量模式的構(gòu)建外，還要力求把上述的測量模式結(jié)構(gòu)化，并建立電路設(shè)計的思維流程。為此，筆者建議從以下幾個方面入手，提高學(xué)生電路設(shè)計能力。

（1）電表組合方式的分類

（2）電表量程匹配的基本思路

對于幾種測量電路，其電表量程的匹配一般有以下3種方式：一是選擇合適電表量程或?qū)﹄姳磉M(jìn)行改裝，這是測量電路設(shè)計中的常規(guī)思路；二是選擇合適的電路；三是改變測量對象，一般是在待測電阻上并聯(lián)或串聯(lián)一定值電阻，以補(bǔ)償電壓表、電流表因量程不匹配而產(chǎn)生的偏差，具體電路如圖2所示（以外接法為例）。

（3）測量電路的設(shè)計流程

要完成測量電路的設(shè)計，僅僅建立基本測量模式、清楚量程匹配方式還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要學(xué)生有一個清晰的思維流程，為此，建議引導(dǎo)學(xué)生在電路設(shè)計中參與圖3所示的思維流程構(gòu)建，以提高電路設(shè)計能力。

3 供電電路設(shè)計的模式識別策略

在電阻測量中，其測量準(zhǔn)確性取決于兩個方面：一是電表量程的匹配程度，它對應(yīng)于測量電路的設(shè)計；二是電表指針能否達(dá)到較大偏角，它對應(yīng)于供電電路的設(shè)計。另外，實驗器材的安全性、實驗操作的方便性也對應(yīng)于供電電路的設(shè)計。

雖然供電電路的設(shè)計涉及的因素較多，但它對應(yīng)電路模式卻較少，我們分別就限流式和分壓式供電電路進(jìn)行探討。

（1）限流式供電電路的基本模式

對于限流式供電電路，一般有圖4的兩種形式，其中圖4a不要求電表示數(shù)從0開始調(diào)節(jié)。而對圖4b而言，主要考慮定值電阻對電路的保護(hù)或操作方便。

（2）分壓式供電電路的基本模式

對于分壓式供電電路，一般有表3中的3種情形。

在表3的3種模式中，第3種模式中的定值電阻可能同時具備電路保護(hù)和調(diào)節(jié)方便兩種功能，而第2種模式中的定值電阻只起到調(diào)節(jié)方便的功能。至于運用哪種供電電路，則可按下述程序進(jìn)行選擇：初步確定供電電路類型→實驗器材安全性檢驗→實驗測量的準(zhǔn)確性檢驗→實驗操作的方便性檢驗。

4 典型例題分析

例（2010年福建省高考試題）如表4所示是一些準(zhǔn)備用來測量待測電阻Rx阻值的實驗器材，器材及其規(guī)格列表如下：

要求測量時電表的讀數(shù)大于其量程的一半，而且調(diào)節(jié)滑動變阻器能使電表讀數(shù)有較明顯的變化。請畫出測量電路圖，標(biāo)明所用器材的代號。

解析 對于測量電路，根據(jù)提供的器材，首先考慮用伏安法模式，經(jīng)檢驗，兩只電壓表均不能與電流表的量程相匹配，故電流表不能使用。其次，考慮伏伏法模式，經(jīng)檢驗，測量電路應(yīng)如圖5所示。

對于供電電路，由于待測電阻約為1000 Ω，滑動變阻器的最大阻值約為100 Ω，要使電表示數(shù)變化明顯，必須使用分壓式電路。由于無定值電阻，故本題的電路如圖6所示。

擴(kuò)展：若僅改變例題中滑動變阻器的最大阻值，并增加一定值電阻，具體數(shù)值如表5：

則實驗電路如何設(shè)計？

解析 （1）在變式中，改變了滑動變阻器的阻值，增加了一個只知道大致阻值的定值電阻，這些改變不影響測量電路的設(shè)計。

（2）初步確定供電模式

由于R遠(yuǎn)小于Rx，因此，初步確定了分壓式電路。

（3）基于電路安全性考慮

若采用表3中的第1、2兩種供電電路，則電路總電流大于0.5 A，從而損壞滑動變阻器，故這兩種方式均不可行，而第3種供電電路能保證電路安全性。

（4）基于測量準(zhǔn)確性考慮

另外，經(jīng)檢驗，第3種供電電路滿足操作方便性要求。故實驗電路為第3 種供電電路與圖5所示測量電路的組合，具體電路圖略。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁燕飛.從限流式到分壓式電路的構(gòu)建[J].物理教學(xué)探討，2015，33（10）：41—42.

[2]李勝強(qiáng).伏安法在電學(xué)實驗中的基本應(yīng)用與變式分析[J].物理教學(xué)探討，2016，34（2）：60—63.（欄目編輯 鄧 磊）