復(fù)習(xí)電學(xué)實驗儀器的常規(guī)使用和遷移利用

陳艷嬌++黃忠仙

摘 要：本文結(jié)合簡單的例題對電學(xué)實驗中基本儀器的常規(guī)使用和遷移利用進行歸納總結(jié)，以期在電路設(shè)計中能巧妙轉(zhuǎn)換實驗儀器的功能和角色，并起到舉一反三、觸類旁通之功效。

關(guān)鍵詞：電路設(shè)計；電學(xué)儀器；常規(guī)使用；遷移利用

高考中出現(xiàn)的電學(xué)實驗試題題型種類繁多，題目新穎多變。然而，試題都還只是源于教材，當(dāng)然也高于教材。高考考查基礎(chǔ)實驗知識、基本實驗技能、基本實驗方法總體上是不變的，所以我們不能死記硬背、照搬課本實驗電路圖。我們只有真正理解各實驗儀器、實驗原理和實驗方法，歸納總結(jié)電學(xué)實驗的基本模型，才能達到靈活運用學(xué)過的實驗理論、實驗方法和實驗儀器去處理實驗相關(guān)問題的能力。

基本儀器是完成實驗的要件，它的常規(guī)使用是實驗考核的基礎(chǔ)內(nèi)容。近幾年設(shè)計型實驗是高考實驗題的熱點，而掌握這些基本儀器的遷移利用又是設(shè)計實驗的基礎(chǔ)。本文將結(jié)合簡單的例題對電學(xué)實驗中基本儀器的常規(guī)使用和遷移利用進行歸納總結(jié)。

1 電源

電學(xué)實驗中絕大多數(shù)用的是直流電源，電源在實驗電路中起供電作用。電源的選擇應(yīng)根據(jù)用電器的需要，一般考慮用電器所需的電壓和允許電流等。在不超過待測器材所允許的最大電壓值的情況下，為了能做到多組測量，選擇電動勢較大的電源。在相同電動勢情況下，為了能獲得穩(wěn)定的電壓，選擇內(nèi)電阻較小的電源（測電源內(nèi)阻除外）。

2 定值電阻

定值電阻并聯(lián)在電路中能起分流作用，串聯(lián)在電路中能起分壓作用。定值電阻遷移利用的掌握對提高解答設(shè)計性實驗題的能力是至關(guān)重要的。定值電阻主要有以下幾個遷移利用：

（1）作保護電阻（即保護電路）

若電路中待測元件（測量電路）兩端允許的最大電壓比電源電動勢小的較多，則測量電路不能直接接在電源（供電電路）兩端，需要在測量電路或干路上串一個適當(dāng)阻值的定值電阻作為保護電阻或限流電阻。

例：如圖1所示，兩個電流表量程為0.6A，內(nèi)阻均小于1Ω，則兩電表兩端最大允許加的電壓為1.2V。若提供的電源的電動勢為6V。則需串一個電阻作為保護電阻：如圖2所示（定值電阻與測量電路串聯(lián)）或如圖3所示（定值電阻串在干路上）。

（2）使兩表量程匹配（搭配合理）

在電學(xué)實驗中，為減小誤差往往需要多組測量且要求電表的讀數(shù)盡量大（如超過1/3的滿偏）。為了滿足實驗的要求兩表的量程要匹配——兩表最好能同時達到滿偏。

例：如圖4所示，如果當(dāng)電流表滿偏了，而此時電壓表才偏轉(zhuǎn)滿偏的1/3或更小。如果要多次測量只能把電流變小，但這樣會使電壓表的偏轉(zhuǎn)更小，即電壓表讀數(shù)的相對誤差較大，這種情況認(rèn)為兩個電表不匹配，解決方法：

①如果電流表內(nèi)阻已知，可以用定值電阻把電流表擴量程，如圖5所示。

②用定值電阻與電流表串聯(lián)擴大分壓，如圖6所示。

（3）測電表內(nèi)阻作為比較電阻

例：待測電流表A1內(nèi)阻約為5Ω，量程300mA。給一個A2電流表內(nèi)阻約為1Ω，量程600mA。沒有或沒有與待測電流表A1匹配的電壓表。如圖7所示，選5Ω的定值電阻與電流表A1并聯(lián)，通過兩并聯(lián)支路的電流比與電阻成反比，即可求電流表A1的內(nèi)阻。這種作用也可理解為定值電阻當(dāng)電壓表。

例：如圖8所示，測電壓表V1內(nèi)阻：定值電阻與之串聯(lián)作比較電阻，根據(jù)兩表讀數(shù)U1和U2，則有■=■，可求電壓表V1的內(nèi)阻。

作為比較電阻的定值電阻的阻值應(yīng)與待測元件的阻值相差不大（在同一量級），否則實驗誤差很大，或?qū)嶒灍o實際操作性。如圖8所示，設(shè)定值電阻為10Ω，而電壓表V1內(nèi)阻約10kΩ，那么定值電阻獲得實際電壓值可能僅在電壓表讀數(shù)的誤差位上，則由于讀數(shù)等誤差甚至電壓表V1的讀數(shù)略大于電壓表V2的讀數(shù)！

（4）與理想電表并聯(lián)（或串聯(lián)）替代電流表（或電壓表）

例：如圖9所示，定值電阻R與理想電壓表并聯(lián)部分可以作為電流表；如圖10所示，定值電阻R與理想電流表串聯(lián)部分可以作為電壓表。

3 電阻箱

（1）電阻箱的常規(guī)使用

和其它儀器一樣，使用電阻箱時要特別注意通過電阻的電流不能超過允許的最大數(shù)值。電阻箱開始應(yīng)處于阻值最大狀態(tài)，另外調(diào)節(jié)電阻箱無論從小阻值調(diào)到大阻值還是從大阻值調(diào)到小阻值都要先讓電阻變大再變小，這樣可以有效防止短路。若原先接入電路的阻值為80580.2Ω要把它值變?yōu)?580.2Ω，應(yīng)該先調(diào)到89580.2Ω，再調(diào)為9580.2Ω。而不是先把萬位的8調(diào)到0，這樣電阻值就突然變小為580.2Ω！

（2）電阻箱的遷移應(yīng)用

電阻箱是阻值可以改變的定值電阻，所以它具有定值電阻的所有遷移作用。同時由于阻值可變，在等效替代法測電阻中電阻箱起替代待測電阻的作用。如圖11和圖12所示，利用單刀雙擲開關(guān)可以實現(xiàn)電阻箱替代待測電流表（或其它待測元件），若電路的電流或電壓效果相同（電流表A和電壓表V讀數(shù)不變），則待測電流表的內(nèi)阻等于接入電路中電阻箱的阻值。

4 滑動變阻器

滑動變阻器電阻連續(xù)可調(diào)，但其阻值不能精確可讀，因此滑動變阻器不能當(dāng)作已知電阻使用。它在電路主要是起控制電路作用。

（1）滑動變阻器的基本接法及選擇

①限流接法 如圖13所示，滑動變阻器部分串聯(lián)接入電路，實物連接：金屬棒兩端和線圈兩端的接線各取一個串聯(lián)到電路（如圖15中有AC、AD、BD、BC這四種接法，也就是所謂“一上一下”。）實驗開始前，應(yīng)將滑動變阻器的滑片滑到最左端，即開始時使負(fù)載部分電路兩端的電壓最小。

限流接法負(fù)載電阻兩端的電壓和電流不能從0開始變化。滑動變阻器阻值比負(fù)載電阻大得越多，負(fù)載電阻獲得電壓范圍越小，但電壓變化越均勻；為兼顧兩者限流接法要選用最大阻值略大于負(fù)載電阻（約2—5倍）。

②分壓電路 如圖14所示，滑動變阻器全部接入電路（部分在支路，部分在干路）。實物連接：線圈兩端的接線柱（如圖15中的A和B）全部接入干路，金屬棒兩端和線圈兩端的接線柱各取一個接負(fù)載電路（如圖15中負(fù)載電路接在AC間，AD間，BD間或BC間）。實驗前，應(yīng)將滑動變阻器的滑片滑到如圖所示的最左端，即使負(fù)載部分電壓最小。

分壓接法負(fù)載部分電壓和電流可以從0開始變化；負(fù)載電阻獲得電壓范圍與滑動變阻器的阻值無關(guān)，但滑動變阻器的阻值越小，負(fù)載電阻的電壓變化越均勻。分壓接法一般最大阻值小于負(fù)載電阻（約0.2—0.5倍）。

不論哪種接法，首先應(yīng)該考慮滑動變阻器的額定電流，流過它的實際電流不能超過規(guī)定電流！

（3）必須使用分壓式接法的三種情況 [1，2 ]

●題目中明確要求待測電阻兩端的電壓（或電流）從零開始連續(xù)可調(diào)，必須用分壓接法；

●待測電阻Rx與變阻器R相比過大，限流接法測量范圍過小，無法做到多組測量，必須用分壓接法；

●若用限流式接法，電路中的最小電流仍大于某個串在電路中的用電器（如電流表）的額定電流（或最大量程），則必須用分壓式接法。

例：如圖16所示為描繪某電學(xué)元件的伏安特性曲線的電路圖，定值電阻R用于限流；電源電動勢E為12V，內(nèi)阻不計。

（1）實驗時有兩個滑動變阻器可供選擇：

a. 阻值0到200Ω，額定電流0.3A

b. 阻值0到20Ω，額定電流0.5A

本實驗應(yīng)選的滑動變阻器是 （填“a”或“b”）（本例題由2007年江蘇高考物理卷第12題改編）

解析：從滑動變阻器的阻值上看，阻值為0到20Ω的變阻器調(diào)節(jié)過程中，待測元件兩端的電壓變化更均勻。但通過該滑動變阻器的電流可達到I=■=■=0.6（A），超過它的額定電流，滑動變阻器可能燒毀！所以滑動變阻器應(yīng)選a。

5 電表

（1）常規(guī)使用 [3 ]

電表是電學(xué)實驗中主要的測量儀器，要了解電表的量程、精度、使用注意事項和讀數(shù)方法。

實驗時要根據(jù)實驗的具體情況選擇適當(dāng)量程的電表。對于電壓表和電流表，如果選擇的量程太小，電表超量程使用會損壞儀器；若選用量程比實際的測量值大太多（超過3倍），測量結(jié)果的相對誤差就比較大，選擇的量程最好在表安全工作情況下有較大的偏轉(zhuǎn)（至少達到滿偏的1/3）。而使用多用電表測電阻時，選擇的檔位應(yīng)使示數(shù)在電表的中值附近更為精確。

電表的精度（即儀器的最小分度值）影響測量結(jié)果的有效數(shù)字的位數(shù)。電表的讀數(shù)原則：最小刻度是10分度，估讀到最小刻度的下一位；最小刻度不是10分度讀到最小刻度位，根據(jù)儀器的最小分度可以分別采用1/2、1/5的估讀方法。

如圖17所示是電壓表的刻度盤。若使用的是該表的0-3V量程，該量程最小刻度是0.1V，是10分度的，因此要向下估讀一位，讀1.15V（由于最后一位是估讀的，有偶然誤差，讀成1.14V-1.17V之間都算正確）。若使用0-3V量程時，若指針恰好指在2上，則讀數(shù)為2.00V。若是0-15V量程，最小刻度為0.5V，按1/5的估讀方法，所以讀5.7V（5.6V -5.8V之間都算正確）。

如圖18所示是電流表的刻度盤。若使用的0-3A量程，電流表讀數(shù)為1.88A；若使用的0-0.6A量程，最小刻度為0.2A，按1/2的估讀方法，所以讀0.37A。

（2）電表的遷移利用 [4 ]

電表實質(zhì)是會“說話”的電阻。它能“自報”流過自身的電流或加在自身兩端的電壓。因此，要注意到其自身電阻對電路的影響；另外，如電流表內(nèi)阻是已知的，根據(jù)歐姆定律可以求得加在電流表兩端的電壓，此時電流表也就相當(dāng)電壓表；同理，若電壓表內(nèi)阻是已知的，電壓表也就相當(dāng)電流表。即內(nèi)阻已知的電表角色可以互用。利用這一特點，測電阻的伏安法可拓展為伏伏法和安安法等。如圖19和圖20所示，用已知內(nèi)阻的電壓表V1當(dāng)電流表測未知電阻和電壓表V2的內(nèi)阻；如圖21和圖22所示，用已知內(nèi)阻的電流表A1當(dāng)電壓表測未知電阻和電流表A2的內(nèi)阻。

已知內(nèi)阻的電表還可以與定值電阻配合改變量程（參見定值電阻部分）。

近幾年的高考中，實驗命題不再局限于課本，出現(xiàn)了一些利用教學(xué)大綱所列的實驗的原理、方法、器材重新組合的實驗考題來考查遷移能力。因此，掌握好物理實驗儀器的常規(guī)使用和遷移應(yīng)用，才可能進而應(yīng)用學(xué)過的原理和方法去創(chuàng)新設(shè)計實驗，處理與實驗相關(guān)的問題。

參考文獻：

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