貴州省首屆大學生物理實驗技能競賽基礎性實驗試題的解答與考試評析

湯燕 魏曉楠

摘 要：貴州省首屆大學生物理實驗技能競賽基礎性物理實驗試題為“電表的擴程、校準與使用”，文章介紹競賽試題的部分答案，并對參賽學生的實驗考試結(jié)果進行評析。

關鍵詞：大學生物理實驗競賽；電表的擴程；擴程電表的使用

中圖分類號：G633.7 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）11-0053-03

Abstract： The basic physics experiment question of the first undergraduate physics experiment skill competition in Guizhou province is "the expansion， calibration and use of electric meter". This paper introduces experimental content， experimental principle and some answers to the contest questions， and evaluates the examination results of the participants.

Keywords： the physics experiment competition of college students； the expansion of the meter； use of extended range meter

一、概述

貴州省首屆大學生物理實驗技能競賽由貴州省物理學會主辦，由貴州大學物理學院承辦，于2016年7月24-25日在貴州大學大學物理實驗教學中心舉行。舉辦大學生物理實驗競賽是為激發(fā)我省大學生對物理學和物理實驗的興趣，提升大學生的創(chuàng)新意識，提高大學生知識的綜合運用能力和實踐能力，同時提供我省各高校師生進行教和學的交流平臺。競賽提倡“重在參與，注重過程”，促進各高校大學生基礎知識與綜合素質(zhì)培養(yǎng)的有機結(jié)合，為拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供發(fā)展平臺。來自貴州省各院校的11個代表隊的44名大學生選手參加了本次競賽。競賽命題分為基礎性物理實驗和綜合性、研究性物理實驗題2類。本次實驗競賽既突出物理基礎又充分體現(xiàn)大學生的實踐能力、動手能力和創(chuàng)新思維。各代表隊由2人分別單獨參加3h的基礎性物理實驗競賽；2人合作參加4h的綜合性、研究性物理實驗競賽，經(jīng)評審專家組的評審和競賽組委會審議，評選一等獎1名，二等獎2名，三等獎3名，優(yōu)秀獎5名。

二、基礎性實驗的解答

貴州省首屆大學生物理實驗技能基礎性實驗試題為“電表的擴程、校準與使用”，目的是綜合考察考生對基本的實驗儀器的使用的熟練程度、物理實驗方法的理解、掌握水平和綜合分析應用能力?？忌?人獨立完成，限時3小時。

（一）試題：電表的擴程、校準與使用

1. 實驗儀器

（1）磁電式電表頭；（2）萬用電表；（3）直流穩(wěn)壓電源；（4）滑線變阻器；（5）電阻箱；（6）雙擲開關；（7）單擲開關；（8）導線若干；（9）電阻若干。

2. 實驗原理

（1）將表頭改裝成電流表。一般表頭的量程是很小的，當要測量較大的電流時，可在表頭的兩端并聯(lián)一個電阻Rp，使超過表頭能承受的那部分電流從Rp流過，從而擴大電表的電流量程。

設改裝后電流表的量程為I，由按歐姆定律可得（I-Ig）Rg=IgRg，其中Ig、Rg由實驗室給出，根據(jù)需要的電流表量程，可算出應并聯(lián)的電阻值Rp。若將表頭的量程擴大n倍（n=），則分流電阻為

由此可見，在同一表頭并聯(lián)不同大小的分流電阻Rp，就可以得到不同量程的電流表。

（2）改裝后的電表校正及標稱誤差。電表擴程后必須經(jīng)過校準才能使用，校準方法是將改裝后的電表與標準表，同時對同一個對象（如電流或電壓）進行測量和比較。

a. 量程的校準。電流表的校準按圖1接線，標準表的量程必須等于或大于改裝表的量程。調(diào)節(jié)A，B兩端電壓以及Rp，以使得校準表讀數(shù)I為被較表的量程、被校表指針指在滿偏位置上。

b. 刻度的校準。如圖1所示，在校準量程的基礎上，通過改變A，B兩端電壓，使被校電表與標準表的讀數(shù)從大到小，再從小到大地逐漸變化，每隔一定間隔，分別記下兩表的讀值。

通過校準，得出被校表各個指示值Ix和標準電表對應的指示值Is，得到該刻度的修正值x（x=Is-Ix），根據(jù)修正值畫出電表校準曲線（以Ix為橫坐標，Is為縱坐標的修正折線圖），兩個校準點之間用直線連接，整個圖形是修正值折線狀，選取其中最大的絕對誤差除以量程，即為該電表的標稱誤差，故

標稱誤差=（最大絕對誤差/量程）×100%

（二）實驗內(nèi)容

1. 將量程為1mA的表頭擴至10mA

2. 將1mA的表頭改為0～10V的電壓表。

3. 運用實驗室提供的電阻設計一個電路，應用擴程的電表進行測量，驗證基爾霍夫電流定律：在任一瞬時，流向某一結(jié)點的電流之和恒等于由該結(jié)點流出的電流之和，即：

I=0，表格自擬（根據(jù)電流表的量程選擇適當電阻）。擴程電壓表的校準方法與電流表的校準方法類似，這里主要介紹表頭擴程為電流表、校準擴程電流表及運用。

4. 實驗步驟

將量程為1mA的表頭擴至10mA：

a. 由（1）式算出分流電阻Rp的數(shù)值。

b. 校準擴程后的電表：先調(diào)準零點，再校準量程，再校準刻度，刻度的校準可均勻地取5～10個校準點，校準的電路如圖1所示。分流電阻Rp用電阻箱充當，R1、R2是滑線變阻器，E為電源電壓。

c. 校準量程，接通直流電源，調(diào)節(jié)電源電壓E=12，合攏開K ，調(diào)節(jié)R、Rp，使兩表同時達到滿程，若兩表不能同時到達滿程，調(diào)節(jié)電阻Rp值，使兩表同時到達滿程，再記下實際電阻值R'p。

d. 校準刻度，調(diào)節(jié)滑線變阻器，使電流從小到大（0～10mA）校準6個刻度值，然后電流從大到?。?0～0mA）重復一遍，以待校表的刻度值為準，測出各點標準表的讀數(shù)并記錄。

e. 計算出x的平均值，再計算出此表的標稱誤差并作出x-x圖。

（三）數(shù)據(jù)處理

1. 將量程為1mA的表頭擴至10mA

2. 運用實驗室提供的電阻設計一個電路，應用擴程的電表進行測量，驗證基爾霍夫電流定律（電路僅供參考）

電路的設計可有多種形式，這里列舉其中一種，如圖2所示。將5個電阻連接成有節(jié)點，有支路的電路，電阻值如表3所示。用擴程后的電表分別測出各支路的電流，填入表4中，再根據(jù)電流表的校準曲線修正電表讀數(shù)。

3. 結(jié)論：

I1為流入，取正值；I2、I3為流出，取負值，則I1+I2+I3=0.019≈0

從而驗證了基爾霍夫電流定律：在任一瞬時，流向某一結(jié)點的電流之和恒等于由該結(jié)點流出的電流之和，即：

（四）競賽結(jié)果評析

競賽中發(fā)現(xiàn)學生存在以下問題

1. 實驗難點——校準量程

電表的校準操作中，很重要的一步是校準量程，在操作中需要保證被校準表和標準表不能超過滿偏，而校準好量程時，兩個表的指針同時指向滿偏。為了不使任何一表超過滿偏，可調(diào)節(jié)R1、R2，使得兩電流表指針保持在量程范圍內(nèi)，接近需要擴程的10mA。同時調(diào)節(jié)分流電阻Rp，使被校準表與標準表指示一致，再調(diào)節(jié)R1、R2，使兩表同時滿偏，這時，量程就校準好了。在實驗競賽中，發(fā)現(xiàn)部分學生對于這部分的操作有困難，主要原因在于對電路的理解不清晰，對于各電阻的作用不清楚。

2. 測量失誤——校準刻度

在校準量程的基礎上，改變A，B兩端電壓，使被校電表的讀數(shù)從大到小，然后再從小到大地逐漸變化，每隔2mA間隔，分別記下標準表和改裝表的讀值，這里被校準表為實驗室提供的表頭，標準表為萬用電表，應使被校準表指針處于0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00這些值時，讀取標準表的讀數(shù)并記錄。這里部分學生讀取的是被校準表讀數(shù)，錯誤原因在于對兩個表的用途有混淆。

3. 操作失誤——接線

極少數(shù)學生有這樣的失誤，在接線中對滑動變阻器的接線以及電表連線有失誤，最終發(fā)現(xiàn)電表指示有問題后糾正了錯誤?？赡茉蛴校簩W生緊張；學生本身對儀器不熟悉；部分院校對這類基本儀器使用的培訓不夠。

4. 應用問題——設計電路

試題的第三部是運用實驗室提供的電阻設計一個電路，驗證基爾霍夫電流定律。這一步只要設計一個電路有節(jié)點，有支路，電阻選擇合理就能驗證。但部分學生電路設計不合理，導致實驗失敗。

5. 擴程表的應用——讀數(shù)問題

在試題第三部，要求應用擴程的電表進行測量，驗證基爾霍夫電流定律。因擴程的電表不是標準表，在測量時應根據(jù)校準曲線修正電表的讀數(shù)，得到較為準確的結(jié)果。

（五）總結(jié)

通過基礎性實驗競賽，我們發(fā)現(xiàn)大部分學生對基本的實驗儀器比較熟悉，能在規(guī)定時間內(nèi)按要求完成實驗，能合理應用現(xiàn)場提供的資源進行設計實驗。但也暴露出一些問題，針對這些我省學生存在的問題，我們作為物理實驗教育工作者應該積極努力為學生搭建平臺，使學生有更多的機會使用并掌握基本的物理實驗儀器，提高我省的物理實驗教學水平，培養(yǎng)高素質(zhì)的人才。

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