探究高中電學(xué)實驗電路的設(shè)計

王晟曄

摘要：高中物理是高中生學(xué)習(xí)的難點與重點，而物理學(xué)習(xí)的過程中，電路設(shè)計是我們必須掌握的知識點，也是學(xué)習(xí)必須具備的實驗技能，其重點和難點是選擇線路連接所需的設(shè)備與方式，并把這一知識在實際生活中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高中物理；電路設(shè)計；實驗儀器

高中物理的電路設(shè)計，是運(yùn)用伏安法測試線路中的電阻，以及電源的動勢，測試內(nèi)阻，再根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)，畫出電路曲線。過程中，必須選擇合適的電路設(shè)備，科學(xué)設(shè)計電路，并要求我們遵循相應(yīng)的原則，設(shè)計電路，完成高中物理實驗。

一、高中電學(xué)實驗電路設(shè)計應(yīng)遵循的原則

1、明確目標(biāo)。在正式進(jìn)行物理實驗前，首先我們應(yīng)明確物理實驗的目的，并了解實驗或題目給出的信息，分析實驗有哪些電學(xué)規(guī)律，確定實驗進(jìn)行的目標(biāo)。而明確實驗?zāi)繕?biāo)的同時，需以實驗的前提條件，了解實驗最終的目的。

2、合理設(shè)計方案。一般來說，不管是進(jìn)行課上實驗還是考題，選擇實驗方式都應(yīng)注意以下幾點：首先，安全性。從眾多方案中選擇某一個方案時，必須考慮該方案是否會對實際操作者帶來生命威脅，影響身體健康；其次，科學(xué)性，設(shè)計方案的內(nèi)容必須符合物理理論，若與物理理論不符，極有可能出現(xiàn)相反的實驗結(jié)果；再次，縮小誤差，實驗儀器的選擇可在某種程度上決定實驗結(jié)果誤差的大小，所以，我們選擇實驗設(shè)備時，應(yīng)選擇合適的材料，以減小誤差；接著需考慮方便性，實驗方案應(yīng)便于操作，過程簡單，中途操作人員可及時搜集數(shù)據(jù)，觀察實驗進(jìn)度，保證數(shù)據(jù)的真實、準(zhǔn)確；最后，可操作性，整個電路的設(shè)計，必須考慮的一點是，器材是否具有可操作性，以及可操作性的高低，比如滑動變阻器的選擇，需要考慮它阻值的大小與額定電流，以滿足這兩個條件為前提，再考慮其是否方便攜帶[1]。

二、電路設(shè)計實驗器材的選擇

對于器材的選擇，必須以相應(yīng)的原則為標(biāo)準(zhǔn)，以控制最后實驗結(jié)果的誤差。即所有實驗設(shè)施的選擇都必須以縮小實驗誤差為前提，從而讓電流表內(nèi)的電流達(dá)到最大，確定每個設(shè)備的量程，確保儀器上的指針在某種范圍內(nèi)有偏轉(zhuǎn)，整體偏幅超過三分之一。同時，器材的選擇也需根據(jù)實驗的真正要求，選擇儀器。比如我們高中的物理實驗，該實驗中是用儀器測量金屬的電阻，我們可以使用的儀器有電流表、電池組、電壓表，滑動變阻器、導(dǎo)線和開關(guān)，其中，電流表與電壓表各有不同的電壓和電阻，由此，提出的問題是，為盡量縮小實驗誤差，我們需選擇哪幾個儀器？

由此，對于儀器設(shè)備的選擇，我們可以總結(jié)出以下幾點：選擇設(shè)備時，應(yīng)符合實驗要求，了解實驗的前提條件，以條件為基礎(chǔ)綜合分析，進(jìn)而選擇最合適的儀器，最終達(dá)到縮小實驗結(jié)果的誤差。其需遵循以下原則和步驟。

原則：可行性，滿足實驗的客觀條件，符合預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)，把儀器的量程、電流控制在設(shè)定范圍內(nèi)；準(zhǔn)確性，選擇精度較高的測量工具，但也要根據(jù)實驗內(nèi)容，選擇合適的精度即可，從而完成預(yù)設(shè)的目標(biāo)，比如電表，要求它的真實讀數(shù)超過量程的一半；操作性，實際操作中，必須把便于調(diào)節(jié)作為前提。

步驟：從眾多器材中找到適用的器材，畫出電路建議設(shè)計圖，在滑動變阻器為最小值時，估算出最大值，隨后，確定電流表與電壓表的量程，但兩者的量程必須在電表的量程內(nèi)，表針的偏轉(zhuǎn)范圍較大[2]。

三、高中電學(xué)實驗的電路設(shè)計

通過對上述兩點的分析，我們可以明確電路設(shè)計應(yīng)遵循的原則，以及如何選擇儀器設(shè)備，并以此為前提，分析了電路設(shè)計的步驟。

1、學(xué)習(xí)目標(biāo)。在學(xué)習(xí)的過程中，我們需要了解電路由哪幾個部分組成，以及每部分在電路的中的作用；分析電壓表、電路表產(chǎn)生的內(nèi)阻可讓電路有哪些變化，根據(jù)實驗提出的要求，選擇相應(yīng)的設(shè)備；充分了解各個原理，設(shè)計電路。

2、過程與方法。課上，我們通過電子白板的學(xué)習(xí)，用自己的思維，完成電路設(shè)計，并不斷進(jìn)行嘗試，修改設(shè)計方案，多次修正，從多個方面分析問題。如此，我們可提高自身的知識運(yùn)用能力，用其解答生活中遇到的問題，做到學(xué)以致用，加深對知識的理解，同時，我們設(shè)計電路時，也可以在原有方式的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維，把自己學(xué)習(xí)到的知識遷移。另外，我們有時也會用小組的方式合作設(shè)計，當(dāng)小組內(nèi)的一人對另一人的想法提出質(zhì)疑時，整個小組都會表達(dá)自己的看法，最終找到最佳方案，設(shè)計電路。

3、電路連接方式。我們從測量、控制兩方面為出發(fā)點，完成電路設(shè)計，在實驗的過程中，也會根據(jù)老師對自己的指導(dǎo)，糾正錯誤，在多個思路的的碰撞中，找到新的設(shè)計方法。

（1）外接法和內(nèi)接法。我們可以選擇的電路連接方式有兩種，一種是外接法，另一種是內(nèi)接法，兩種方法的簡易電路圖為：

這兩種電路的設(shè)計方式都有一定的誤差，故選擇其中一種電路連接方法連接時，都需要根據(jù)電壓、電流的數(shù)值，選擇其中一種，而如果電力、電壓的數(shù)值是準(zhǔn)確的，整個操作沒有誤差，兩種連接方式都可以使用，但如果數(shù)值是不確定的，需以實際情況為前提，綜合分析，選擇誤差最小的連接方式。其選擇情況如下：

首先，如果已知的數(shù)值是電表估算出阻值，且電阻阻值為RX，伏特和安培表產(chǎn)生的內(nèi)阻分別是RV、RA，前者小于后者，可用外接法連接，如果情況相反，可用內(nèi)接法連接[3]。

其次，如果電阻的阻值無法確定，可先用試觸法測量，即把電壓表接入電路，左側(cè)連接a圖中左側(cè)的點，右側(cè)第一次連接安培表前面的點，第二次連接安培表后面的一個點，記錄電壓表的數(shù)值，如果阻值的變化較大，即為大電阻，可用內(nèi)接法連接，若變化較小，說明電阻較小，可用外接法連接。本段中提高的電阻大小，是其相對變化。

這兩種接法在實際問題應(yīng)用時，可以快速解題。比如，已知電路中的電壓恒定，當(dāng)測量設(shè)備接入安培表前面的一點時，電壓為10V，電流為0.2A，接入安培表后的一點時，電壓為12V，電流是0.15A，設(shè)備接入電路時，用哪種接法可以讓結(jié)果更加準(zhǔn)確。其答題過程是：△I=0.05A，△U為2V，而后用△I除以I，得到的結(jié)果是0.25，用△U除以U，得到的結(jié)果是0.5，0.25小于0.5，故電壓變化較為明顯，但因為某個條件，用外接法連接后得到的結(jié)果會更加準(zhǔn)確。endprint

（2）限流式與分壓式。限流式和分壓式是針對滑動變阻器的設(shè)計來說。為讓電路原有的電壓發(fā)生變化，我們可用把滑動變阻器加入到電路中，與電路相連，從而控制電路變化。其中，限流式分布是把所有設(shè)備都用一根導(dǎo)線連接，把需要測定的電阻、電源、滑動電阻器用串聯(lián)的方式連接，而分壓式則是用導(dǎo)線連接電源與滑動變阻器，讓其變成一個閉合電路，與原有的電路用并聯(lián)的方式連接。

選擇哪種方式作為連接的方法，是由某些特定的情況決定。我根據(jù)自己日常學(xué)習(xí)積累的知識，總結(jié)出以下幾點：首先，如果實驗提出的的要求是，電路中的電壓和電流開始值為0，需用分壓接法連接；其次，如果實驗需要的電壓、電流是多組不同的數(shù)據(jù)，也可以使用分壓接法；再次，若滑動變阻器的數(shù)值經(jīng)過測量后，在電阻器內(nèi)的電阻一半范圍內(nèi)，可用分壓接法，如果用限流式接法，會增加調(diào)節(jié)的難度；接著，限流電路接通后，電路產(chǎn)生的最小電流或者是電壓，超過電路可承受的范圍，并大于量程，需及時調(diào)整電路的連接方式，用分壓式連接。最后，如果兩種連接方法都可以使用，可以把限流式作為首選，其原因是，這種連接方法更加省電。

其應(yīng)用的例子為：電路中的電阻是RX，阻值最小是100Ω，最大為200Ω，額定功率是0.25W，如何用伏安法測出其準(zhǔn)確的電阻值。其使用的器材包括電流表、電壓表和變阻器，完成電路設(shè)計。

其中，安培表是用A表示，電壓表為V，變阻器是R，三者有各自的量程與電流值，且電路中三者均為兩個。A1的量程是50mA，電阻為100Ω，A2對應(yīng)的量程和電阻為1A、20Ω；V1的量程和電阻是5V與10Ω，V2的量程是15V，電壓是30kΩ；R1電阻最小為0，最大是20Ω，R2的最小電阻依然為0，但最大電阻從20Ω變?yōu)?0Ω。使用的是9V的電源及數(shù)量不等的導(dǎo)線。

其解答過程是Ie≈0.05A，轉(zhuǎn)化后變成50mA，故使用的電流表是A1，使用的電壓表是V1。而滑動變阻器的電阻應(yīng)靠近RX，范圍放在10Ω以內(nèi)，如果過大，可能增加調(diào)節(jié)的難度。隨后，我們設(shè)計電路圖時，因為電流、電壓都是準(zhǔn)確的數(shù)值，故能夠做到縮小誤差，可以使用外接與內(nèi)接兩者兩種方法，并用分壓式接入滑動變阻器。

結(jié)語：電學(xué)實驗電路的設(shè)計，可考查我們學(xué)習(xí)能力的高低，同時也是高考考試的重點，雖然這類問題對于我們來說有一定的難度，但只要我們積極接受老師的引導(dǎo)，明確電路設(shè)計的方法與原則，即可掌握學(xué)習(xí)的重點和難點，選擇合適的儀器，以提高自身知識的實際應(yīng)用能力，做到學(xué)以致用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉立軒.高中物理電學(xué)中電路與器材的選擇分析[J].中外企業(yè)家，2015，36：224.

[2] 林明華.高中電學(xué)實驗電路設(shè)計與器材選擇的兩個視角[J]. 教學(xué)與管理，2016，04：55-57.

[3] 楊軍.探究雙控電路在生活中的實用案例[J].中國商界（上半月），2009，04：157+153.endprint