高中物理电学实验设计分析

张晟霆

(黑龙江省实验中学，哈尔滨 150001)



高中物理电学实验设计分析

张晟霆

(黑龙江省实验中学，哈尔滨 150001)

电学是高中物理的重要组成部分，电学实验往往要进行电路的设计。电学设计性实验是高中阶段必须掌握的基本实验技能，其难点在于对器材和电路的选择，这对于运用所学知识解决实际问题的能力要求很高。

高中物理；电学；实验；设计

1 高中电学中电路设计和仪器选择

1.1 电路设计原理

利用滑动变阻器改变电路中的电流，用电流表和电压表测量电路中小灯泡、金属丝、变阻器的电流和电压，然后用作图法和计算法分别去描绘小灯泡的伏安特性曲线、计算出金属丝的电阻率和电源电动势和内阻。滑动变阻器、电流表和电压表在电路中有不同的接法。

滑动变阻器电路的选择。

其一，限流电路(如图1所示)。

当移动滑动变阻器滑片时，可以改变电路中的电阻，从而控制用电器的电流和电压。设电源电压为E，用电器(小灯泡、金属丝、变阻器)的电阻、电流、电压分别为R、I、U，滑动变阻器的全值电阻为R0，

A.当滑动变阻器滑片P滑到右端时，用电器上U、I均为最大，最大值分别为E、E/R。

B.当滑动变阻器滑片P滑到左端时，用电器上U、I均为最小，最小值分别为ER/(R+R0)、E/(R+R0)。

综上所述，限流电路的电流和电压调节范围分别为：

由上式可知，限流电路的电流和电压调节范围与滑动变阻器的全值电阻R0有关，在E、R一定的情况下，R0越大，电流和电压调节范围越大；当R0比R小得多时，电流和电压调节范围都很小。

图1 限流电路Fig.1 Limited current circuit

图2 分压电路Fig.2 Bleeder circuit

其二，分压电路(如图2所示)。

A.当滑动变阻器滑片P滑到右端时，用电器上的U、I均为最大，其最大值分别为E、E/R。

B.当滑动变阻器滑片P滑到左端时，用电器上的U、I均为最小，其最小值分别为0、0。

综上所述，限流电路的电流和电压调节范围分别为：

由上式可知，限流电路的调节范围均与滑动变阻器的全值电阻R0无关。

1.2 实验电路选择

其一，在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，因为小灯泡在实验范围内的电阻较小，所以采用电流表外接法，为使小灯泡上的电压能在较大范围内调节，变阻器采用分压电路，实验电路如图3。

图3 描绘小灯泡的伏安特性曲线实验Fig.3 Volt-ampere characteristic curve experiment of a small bulb

图4 测金属丝的电阻率实验Fig.4 Specific resistance of the wire test

其二，在“测金属丝的电阻率”实验中，因为金属丝的电阻值较小，所以采用电流表外接法。由于电路对电流和电压的调节范围要求不大，变阻器在电路中采用限流电路，实验电路如图4。

其三，对于“测电源电动势和内阻”的实验，由于电池的内阻比电压表内阻小得多，与电流表内阻差不多，所以采用电流表内接法。而且利用滑动变阻器改变电路中的电流，滑动变阻器在电路中采用限流电路，实验电路如图5。

图5 测电源电动势和内阻Fig.5 Power electromotive force and internal resistance test

1.3 电学设计性实验的设计过程

其一，从实验原理入手。如测电源的电动势和内阻的原理是闭合电路的欧姆定律。

其二，根据安全性、精确性、方便性原则，选择实验仪器和确定测量电路。

安全性：主要指电路中的电流不能超过最大值，电流表、电压表不能超量程使用。这就要估算电路中的最大电流(电压)或根据用电器的额定电压(电流)来选择电表的量程。

精确性：为减小读数误差，电表使用时，尽可能使指针指在满刻度的一半左右；伏安法测电阻要考虑电流表的接法。

方便性：主要指滑动变阻器的选择和接法。首选限流接法，限流接法简单，电路消耗的电能较少；测量小电阻时用限流接法(测量电阻的阻值跟滑动变阻器的总阻值相比相差不大或RxRpm)，移动滑片对电路几乎没有影响，必须用分压接法；要求被测电路电压可调范围大(特别是从0开始连续调节)，必须用分压接法。如测干电池的电动势和内阻的实验，只能用限流接法。测小灯泡的伏安特性实验，校对改装后的电表实验只能用分压接法。

1.4 电流表、电压表测量电路的选择

电流表、电压表测量电路有电流表外接法(如图6)和电流表内接法(如图7)，由于电流表和电压表内阻的影响，两种电路的测量值和真实值之间存在误差。设电压表内阻为RV，电流表内阻为RA，待测电阻真实值为R，测量值为RN。

图6 电流表、电压表测量电路有电流表外接法Fig.6 Ammeter, voltmeter circuit measurement with ammeter external method

图7 电流表内接法Fig.7 Ammeter internal connection method

其一，电流表外接法的相对误差：

测量值 RN=U/I=RRV/(R+RV)

相对误差N=(R-RN)/R =R/(R+RV) ≈R/RV

其二，电流表内接法的相对误差：

测量值 RN=U/I=R+RA

相对误差N=(R-RN)/R =RA/R

其三，两种电路的误差比较：为了测量精确，减小实验误差。

A.当(R/RV)>(RA/R)时应选择电流表内接法电路。

B.当(R/RV)<(RA/R)时应选择电流表外接法电路。

2 电学设计性实验的基础知识

2.1 动变阻器的连接

限流接法和分压接法。如图8所示的两种电路中，滑动变阻器(最大阻值为Rm)对负载RL的电压、电流起控制调节作用，通常把图甲电路称为限流接法，它是把滑动变阻器串联在电路中。图乙电路称为分压接法，它是从滑动变阻器上分出一部分电压加在待测电阻上。(忽略电源内阻)RL上电压调节范围为：限流接法：[E·RL/(RL+Rm)]～E，分压接法：0～E。比较两种接法可知：限流接法电路简单、省电，但电压调节范围较小；分压接法电压调节范围较大。

图8 两种电路Fig.8 Two circuits

图9 半偏法测电阻Fig.9 Resistance measured by half deflection method

2.2 测电阻的基本方法

其一，恒流半偏法测电流表内阻，测量电路如图9所示：

其二，操作步骤：

A.电位器阻值先调到最大；闭合S1断开S2，调节R1，使的示数满偏为Ig。

C.读出R的值，则RA=R。

[1] 鲍崇敬.提升中职物理电学实验能力的策略[J].职业，2016，(29)：67-68.

Analysis of high school physical electricity experiment design

ZHANG Sheng-ting

(Heilongjiang Experimental High School, Harbin 150001, China)

Electricity is an important part of high school physics, and electrical experiments are often carried out in circuit design. Electrical design experiment is basic experimental skill that must be grasped in high school stage. The difficulty lies in the choice of equipment and circuit, which demands for the ability to solve practical problems.

High school physics; Electricity; Experiment; Design

2017-01-10

张晟霆(2000-)，男，学生。

G634

B

1674-8646(2017)05-0104-02