中職物理教學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)分析研究

于愛萍

摘 要：通過對(duì)中職口腔修復(fù)工藝專業(yè)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的分析與研究及實(shí)例分析，使學(xué)生理解并綜合運(yùn)用知識(shí)，解決儀器的選擇、連接、電阻測(cè)量的思想方法。

關(guān)鍵詞：中職物理電學(xué)實(shí)驗(yàn) 電阻測(cè)量 器材選擇研究

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）12-0-02

引言

作為中等口腔衛(wèi)生學(xué)校，解決口腔工藝專業(yè)技工室中的電學(xué)問題，最基礎(chǔ)的是如何準(zhǔn)確進(jìn)行電阻的測(cè)量、電流表的改裝、電源內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量等。電學(xué)實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)會(huì)電阻測(cè)量及儀器選擇，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的提高，具有重要的作用。而學(xué)生在見到此類問題時(shí)常感到無(wú)從下手，本文將從各種電阻的測(cè)量來(lái)說明實(shí)驗(yàn)器材的選擇及研究的思想方法。

一、電阻測(cè)量的總體思想

電阻測(cè)量的基本原理是利用了電阻的定義：R=U /I，所以測(cè)量電阻的核心是巧妙設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確測(cè)量加在電阻R上的電壓和通過電阻R的電流，這也就是我們通常所說的伏安法。

二、電流表的內(nèi)接與外接

在伏安法測(cè)電阻的具體實(shí)踐中，由于電流表和電壓表內(nèi)阻的存在，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，為了減小電流表和電壓表內(nèi)阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)中電路會(huì)有兩種不同的接法，即電流表的外接法和內(nèi)接法。如圖1所示，甲圖為電流表的外接法，乙圖為電流表的內(nèi)接法。

甲圖中電壓表測(cè)得的是電阻R上電壓的準(zhǔn)確值，即U測(cè)=U真，而由于電壓表的分流，使得電流表測(cè)量的電流不是通過電阻R的準(zhǔn)確值，即I測(cè)>I真，故當(dāng)用R=U /I來(lái)計(jì)算時(shí)，電阻值則偏小。同理，在乙圖中由于電流表的分壓，電流值是真實(shí)值，而電壓值偏大，測(cè)量出的電阻值就偏大。以上測(cè)量產(chǎn)生的誤差，即系統(tǒng)誤差。要減小誤差，只有根據(jù)所給定的儀器來(lái)進(jìn)行合理的接法選擇，這就要求我們對(duì)所給的儀器參數(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)合理的電路。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，設(shè)計(jì)的思想是看用哪種電路帶來(lái)的誤差較小。一般當(dāng)電壓表內(nèi)阻RV>>R時(shí)，由于電壓表的分流造成的誤差較小，電流較準(zhǔn)確，用甲圖電路，即電流表的外接。當(dāng)R>>RA（電流表內(nèi)阻）時(shí)，由于電流表的分壓較小，電壓較準(zhǔn)確，用乙圖電路，即電流表的內(nèi)接。

三、滑動(dòng)變阻器的接法與選擇

1.滑動(dòng)變阻器的結(jié)構(gòu)及連接

滑動(dòng)變阻器是電學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)常用的儀器，它可以連續(xù)調(diào)節(jié)電路中的電流或用電器上的電壓?；瑒?dòng)變阻器有四個(gè)接線柱（如圖2），當(dāng)A、B接入電路時(shí)，其電阻值是固定值。當(dāng)A、D（或A、C）接入時(shí)，電阻值為A、P間的電阻。當(dāng)B、C（或B、D）接入電路時(shí)，其電阻值為B、P間的電阻值，電阻隨觸點(diǎn)P的變化而變化。

如果在實(shí)驗(yàn)中，只把A、D（或B、C）串入電路，此接法稱為限流接法，如果把A、B串入電路，而把用電器并在A、C（或B、D）之間，稱為分壓式電路。如圖3所示，甲圖為限流接法，乙圖為分壓式接法。

2.滑動(dòng)變阻器兩種接法的選擇

（1）一般情況下，沒有很高的要求，僅從安全性和精確性角度分析，兩者均可采用時(shí)，可用安裝簡(jiǎn)便、節(jié)能的限流式接法。

（2）有下列情況之一者必須選用分壓式接法

（A）要求回路中待測(cè)部分電路電流或電壓需要從零開始可連續(xù)調(diào)節(jié)的，即大范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，必須采用分壓式接法。

（B）當(dāng)用電器的電阻R遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的最大值R0時(shí)，必須采用分壓接法。

（C）若采用限流接法，電路中實(shí)際電壓（或電流）的最小值仍超過用電器或儀表的額定值時(shí)，只能采用分壓接法。

四、儀表的選擇

儀表的選擇，一般遵循安全、精確的原則。

安全的原則要求：通過儀表的電流或電壓，不能超過其最大量程。保證電表的正常測(cè)量。

精確的原則要求：所估算的最大電壓值和電流值應(yīng)在所用儀表滿刻度的2/3以上的位置，否則會(huì)造成讀數(shù)誤差過大。

五、應(yīng)用分析

1.電阻的測(cè)量

例1、在“測(cè)定金屬的電阻率”的實(shí)驗(yàn)中，電阻絲的電阻值約為40～50Ω，可供選擇的主要器材如下：

A.電壓表（內(nèi)阻20kΩ，量程0～10V）；B.電流表（內(nèi)阻約20Ω，量程0～50mA）；

C.電流表（內(nèi)阻約4Ω，量程0～300mA）；D.滑動(dòng)變阻器（額定電流1A、阻值100

Ω）；E.滑動(dòng)變阻器（額定電流0.3A，阻值為1700Ω）；F.電池組（電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)阻為0.5Ω）。則：

（1）電流表應(yīng)選________ ，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選________。

（2）試畫出實(shí)驗(yàn)原理圖。

解析：（1）首先我們選擇儀表，從題上看，電源電動(dòng)勢(shì)是9V，待測(cè)電阻在40～50Ω間，可以估算通過待測(cè)電阻的電流最大值為225mA，故電流表應(yīng)選C。

再看電流表與電壓表的接法，電壓表內(nèi)阻是待測(cè)電阻的500倍，待測(cè)電阻是電流表內(nèi)阻的10倍，所以選擇電流表的外接誤差較小。

最后看滑動(dòng)變阻器的選擇和連接，題中沒有要求從零開始測(cè)量，也沒有多測(cè)幾組數(shù)據(jù)的要求，而且兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的電阻值都大于待測(cè)電阻值，故我們選擇滑動(dòng)變阻器的限流接法即可，D和E的選擇上，我們選擇D即可，原因是D在調(diào)節(jié)上比E方便。

（2）設(shè)計(jì)電路原理圖（如圖4）。

2.電流表內(nèi)阻的測(cè)量

電流表內(nèi)阻的測(cè)量方法有多種，但要準(zhǔn)確測(cè)量，還需用伏安法進(jìn)行，但明確電流表是可以讀出自身電流的電阻，所以，問題的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確測(cè)出電流表上的電壓值。

例2、某同學(xué)為了測(cè)電流表A1的內(nèi)阻r1的精確值，有如下器材：電流表A1，量程300mA，內(nèi)阻約為5Ω；電流表A2，量程600mA，內(nèi)阻約為1Ω；電壓表V，量程15V，內(nèi)阻約為3KΩ；定值電阻R0，阻值5Ω；滑動(dòng)變阻器R1電阻0～10Ω，額定電流為1A；滑動(dòng)變阻器R2電阻0～250Ω，額定電流為0.3A；電源E，電動(dòng)勢(shì)為3V，內(nèi)阻較小，導(dǎo)線、電鍵若干。

（1）要求電流表A1的示數(shù)從零開始變化，且能多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，盡可能減少誤差。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路。畫出測(cè)量用的電路圖。

（2）若選測(cè)量數(shù)據(jù)中的一組來(lái)計(jì)算電流表A1的內(nèi)阻r1，則所用電流表A1的內(nèi)阻r1表達(dá)式r1=；

解析：（1）該題是測(cè)量電流表的內(nèi)阻，題干中給了兩個(gè)電流表和一個(gè)電壓表，有同學(xué)就想到伏安法測(cè)量，并有幾種設(shè)想：

①用電流表A2 和電壓表V分別測(cè)出通過電流表A1的電流和電壓；

②電流表是可以讀出自身電流的，只要用電壓表V測(cè)出電流表A1 上的電壓即可；

③用半偏法進(jìn)行測(cè)量。

第①中方法顯然不妥，因?yàn)榉卜y(cè)量是有系統(tǒng)誤差的，不能達(dá)到題中“精確值”的要求。而第②種方法也不妥，經(jīng)估算，電壓表上的電壓降最多只有1.5V，可電壓表的量程是15V，讀數(shù)誤差會(huì)很大，實(shí)難精確測(cè)量。而第③種半偏法一是有系統(tǒng)誤差，二是提供的儀器不滿足半偏法實(shí)驗(yàn)的要求（沒有電阻箱）。所以，我們就應(yīng)該把問題重點(diǎn)放在如何準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)電流表的電壓上。

題中給了一個(gè)定值電阻R0，我們利用并聯(lián)的特點(diǎn)，把R0與電流表A1并聯(lián)，如果知道已知電阻R0的電流，也就知道了R0上的電壓，同時(shí)就知道了待測(cè)電流表A1的電壓，如圖5甲所示。由于題中要求“電流表A1的示數(shù)從零開始變化”，于是選接滑動(dòng)變阻器的分壓式接法，而題中給了兩個(gè)滑動(dòng)變阻器，應(yīng)選擇R1，這樣調(diào)節(jié)比較方便。測(cè)量電路如圖5乙。

（2）r1=（I2-I1）R0/I1

3.電壓表的內(nèi)阻測(cè)量

電壓表的特點(diǎn)是電壓是可以從表上讀出的，通過巧妙的辦法測(cè)出通過電壓表上的電流是解決問題的關(guān)鍵。

例3：為了測(cè)量量程為3V的電壓表V的內(nèi)阻（內(nèi)阻約2000Ω），實(shí)驗(yàn)室可以提供的器材有：①電流表A1，量程為0.6A，內(nèi)阻約0.1Ω；②電壓表V2，量程為5V，內(nèi)阻約3500Ω；③變阻箱R1，阻值范圍為0-9999Ω；④變阻箱R2，阻值范圍為0-99.9Ω；⑤滑動(dòng)變阻器R3，最大阻值約為100Ω，額定電流1.5A；⑥電源E，電動(dòng)勢(shì)6V，內(nèi)阻約0.5Ω；⑦單刀單擲開關(guān)K，導(dǎo)線若干。

（1）請(qǐng)從上述器材中選擇必要的器材，設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量電壓表V的內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路，在虛線方框中畫出電路原理圖，要求測(cè)量盡量準(zhǔn)確。

（2）寫出計(jì)算電壓表V的內(nèi)阻RV的計(jì)算公式為RV=____________。

解析：（1）此題好像把電流表和電壓表直接串聯(lián)就可以測(cè)量，但是，待測(cè)電壓表V允許通過的最大電流僅有1.5mA，遠(yuǎn)沒有達(dá)到電流表滿量程的2/3的要求，讀數(shù)誤差會(huì)很大。所以要另行設(shè)計(jì)。重點(diǎn)是精確測(cè)出通過電壓表V的電流。我們可以把待測(cè)電壓表V與電阻箱串聯(lián)，再和電壓表V1并聯(lián)如圖5甲。電壓表V1可讀出變阻箱R與待測(cè)電壓表V的總電壓，這個(gè)總電壓減去V的電壓值，就是R上的電壓準(zhǔn)確值，用歐姆定律求出通過R的電流值，即通過V的準(zhǔn)確電流值，而待測(cè)電壓表V的電壓值可由自身讀出，也就可以用歐姆定律計(jì)算出其電阻的準(zhǔn)確值，如圖5乙所示。變阻箱兩個(gè)，由于R2較小，為保護(hù)V，故選擇R1。由于被測(cè)量部分的電阻都很大，遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的電阻，滑動(dòng)變阻器不能控制電路電流的變化，所以應(yīng)選擇滑動(dòng)變阻器的分壓式接法，如圖5乙。

（2）電壓表V的內(nèi)阻RV的計(jì)算公式：RV=R1 V /（V1-V2）

從上面的例子可看出，電路測(cè)量及儀器的選擇是對(duì)電學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用，它有效的考察了學(xué)生知識(shí)綜合應(yīng)用能力和分析問題解決問題的能力。但如果能抓住基礎(chǔ)，仔細(xì)審題，全面分析，就能迎刃而解。