物理電學實驗設計方略及典型試題解析

摘要:如何讓學生能靈活地運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，提高學生掌握知識的水平和實驗設計能力，是實驗教學中的重點。

關鍵詞:電學;實驗;設計;方略;解析

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)2(S)-0047-3

近幾年全國各地高考中物理實驗題一直是以電路設計實驗為主，且試題靈活度大，對學生能力考查要求較高，實驗考查的重點已從原來的考查原理、步驟、數據處理、誤差分析等，逐步演變為要求考生會運用學過的實驗原理、方法，使用過的儀器、裝置，來解決立意新穎、靈活的實驗問題，即設計型實驗問題。其中電學實驗設計是高考的重點和難點。

1 電學實驗設計基本要求

中學電學實驗設計的原則，說法不一，筆者認為一般可歸納為四個原則:

(1)科學性:實驗方案所依據的原理應當正確，符合物理學的基本規律。

(2)安全性:實驗方案的實施要安全可靠，不會對儀器、器材及人身造成危害。

(3)精確性:在實驗誤差允許的范圍內，應盡可能選擇誤差較小的方案。

(4)可操作性:實驗應便于操作和讀數，便于進行數據處理。

2 電學實驗設計的基本思路

實驗設計的關鍵在于實驗原理的設計，它是進行實驗的依據和起點，它決定了應選用(或還需)哪些實驗器材，應測量哪些物理量，如何編排實驗步驟。而實驗原理的設計又往往依賴于所提供的實驗器材(條件)和實驗要求，它們相輔相成，互為條件。

3 電學實驗設計器材選擇和控制電路選擇

3.1 電表選擇

為了減小電表讀數引起的偶然誤差，選擇電表時應先估算待測電流或電壓的最大值，同時要考慮電表間、電表與電源間的配置是否合理，測量時各電表的最大偏轉量都應接近量程。

3.2 控制電路選擇

控制電路的作用有兩個:① 使被調節的(測量)電路流過的電流或電壓符合需要;②通過控制實現多次測量，減小偶然誤差。

(1)分壓電路(如圖1所示):

優點:由A、B點輸出的供測量電路使用的電壓調節范圍大，可以從0V起調。

缺點:耗電大，要求滑動變阻器的額定電流較大;效率低，一般不用于大功率直流電路(例如直流電動機)的調節。

應用:小燈泡特性圖曲線的繪制、電壓表的校準等要求電壓從0V起調的實驗一定要使用分壓法做為控制電路接法。

(2)限流電路(如圖2所示)

優點:對變阻器R的額定電流要求較低。

缺點:AB端的輸出電壓可調范圍較小，不能從0V起調。

應用:伏安法測電阻可以采用限流接法還是用分壓接法，主要由變阻器的阻值決定;測量電源電動勢和內阻的電路只能用限流接法。

4 電學實驗設計典型題目解析

4.1 實驗器材的選擇及實驗方案的設計

例1 在測定一節干電池的電動勢和內電阻的實驗中，備有下列器材:

①干電池(電動勢E約為1.5V，內電阻r約為1.0Ω);②電流表G(滿偏電流3.0mA，內阻Rg=10Ω);③電流表A(量程0～0.6A，內阻約為0.5Ω);④滑動變阻器R1(0～20Ω，10A);⑤滑動變阻器R2(0~100Ω，1A);⑥定值電阻R3=990Ω;⑦開關和導線若干。

(1)為了能準確地進行測量，也為了操作方便，實驗中應選用的滑動變阻器是__________。(填寫數字代號)

(2)請畫出實驗原理圖。

(3)寫出求解電動勢和內電阻的原理式(不需求出結果)

解析 (1)如果選用R2，則在閉合開關后，調節滑片時，開始階段R2連入電路中的阻值遠遠大于內阻，電壓變化不明顯，為了減少測量的偶然誤差，也為了操作方便，滑動變阻器需選R1。

(2)由閉合電路歐姆定律E=U+Ir可知，只要能測出兩組路端電壓和電流即可，這是學生在教材中所學的伏安法，但是題目中并沒有給出電壓表，只給出兩個電流表，且其中一個電流表G的內阻已知，可以先把內阻已知的電流表和定值電阻R3串聯改裝成一個電壓表。設計實驗原理圖如圖3所示。