高中物理電學實驗器材和電路的選擇

摘要:電學實驗是高中實驗教學的重點內(nèi)容，電學實驗設計是高中學生必須掌握的基本實驗操作技能，因而電學設計性實驗成為歷年高考的熱點之一。由于中學電學實驗原理豐富，涉及的器材種類較多，每一種器材對應有不同的量程，所以電學實驗設計的難點在于對電路和器材的選擇。電學實驗器材和電路選擇主要是針對電源、電表、變阻器的選擇，總的原則是安全、適用、方便和準確。

關(guān)鍵詞:電學實驗;器材;電路;選擇

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)8(S)-0008-3

高中物理電學實驗是近幾年重慶高考實驗題的必考題，考試的形式開放，內(nèi)容源于教材上的電學實驗基礎，但又不拘泥于書本知識，需要學生在深刻領會基本知識的同時應用于新的實踐。本文著重從器材和電路的選擇上，談談筆者的一些見解。

1 基本器材的選擇

1.1 電源的選擇

一般根據(jù)實驗要求來選擇。如“電火花計時器”直接用220V的交流電源;“電磁打點計時器”則應選用4～6V的低壓交流電源;“電場中等勢線的描繪”使用直流6V電源;而“測量電源電動勢和內(nèi)電阻”則用一節(jié)使用舊的干電池等等。一般都沒有多大的變化，而選擇低壓電源是一般控制在6～12V的范圍內(nèi)。

1.2 電流表和電壓表的選擇

電表的選擇原則是:保證使用時流過電流表的電流和加在電壓表的電壓均不超過使用量程;然后考慮電壓表、電流表在使用時，指針有較大偏轉(zhuǎn)(一般取滿偏度的2/3左右)。

電流表和電壓表的選擇依據(jù)主要是:①根據(jù)電源的參數(shù)來選擇。比如，“測量電源電動勢和內(nèi)電阻”這個實驗中，我們選擇一節(jié)使用舊的干電池作為電源，那么我們選用量程為3V的電壓表就足夠了。②根據(jù)電路中的最大電流(或者電壓)來選擇。這往往需要我們的同學根據(jù)題目中已知的電學參數(shù)計算，電表的量程只要稍大于最大值即可。③根據(jù)用電器的額定電流(或者電壓)來選擇。比如我們在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，如果我們研究的小燈泡是“3V，2.5W”那么我們就可以此為依據(jù)選擇電表的量程。

1.3 滑動變阻器的選擇

滑動變阻器是電學實驗中的必備儀器，在電阻中主要起調(diào)節(jié)電壓和電流的作用。滑動變阻器選擇原則:考慮被測對象要求的電流或電壓變化范圍，并且方便、節(jié)能。注意流過滑動變阻器的電流不超過它的額定值。對高阻值的變阻器，如果滑動頭稍有移動，電流、電壓變化很大的，不宜采用，應選用阻值小的變阻器。

例題1 如圖1所示的電路中，電源E=5V，R是阻值0～10000Ω，額定電流1A的滑動變阻器，電壓表的量程為0～6V ，電流表的量程為0～0.6A， Rx為阻值約為10Ω的電阻。

這個實驗中滑動變阻器的選擇就有問題，這就會導致滑動變阻器先滑動很少，電流表就會有很大的變化;后滑動很長一段，而電流表的讀數(shù)幾乎不變。

2 基本原則

2.1 安全性原則

即實驗過程中，不產(chǎn)生由于器材或裝置選擇不當而使儀器發(fā)生損壞等不良后果。在電學實驗中，主要表現(xiàn)在電流表、電壓表使用中，正、負接線柱不能接反;各電表的讀數(shù)不能超過其量程，電阻類元件的電流不能超過其最大允許電流等;電源的最大輸出電流不超過其額定電流等。

例題2 為了測定一段金屬絲的電阻(阻值大約為10Ω)，主要備選儀器如下:

A.電動勢是6V的直流電源

B.量程是0～600mA、內(nèi)阻為2Ω的電流表

C.量程是0～100mA、內(nèi)阻為15Ω的電流表

D.量程是0～3V、內(nèi)阻為3kΩ的電壓表

E.量程是0～15V、內(nèi)阻為15kΩ的電壓表

F.阻值為0～10Ω、額定電流為1.0A的滑動變阻器

①電流表應選用______。

②電壓表應選用______。(用代號表示)

解 首先必須估算出電路中可能的最大電流值及電路兩端的最大電壓值，當滑動變阻器接入電路的電阻為零時，電路中電流最大。根據(jù)閉合電路歐姆定律可得:Imax≈ε/R=0.6A。故應選電流表B。同理，當電路中電流達到最大時，電阻兩端的電壓也為最大，其值可能達6V，故伏特表應選E。

2.2 適用性原則

所謂適用性原則，就是選擇的儀器必須適用可行，能保證實驗正常地順利地進行，應使實驗的測量范圍符合實驗要求。

例題3 有一改裝的安培表A1需要與一個標準安培表A2進行核對，采用如圖3所示電路，其中ε為直流電源(三節(jié)蓄電池串聯(lián)而成)，R0為一定值電阻，R為一可變電阻，S為電鍵。實驗中已有的器件及儀器的規(guī)格如下:

A.固定電阻(阻值8Ω，額定電流2A)

B.固定電阻(阻值15Ω，額定電流2A)

C.滑動變阻器(阻值范圍0～20Ω，額定電流2A)

D.滑動變阻器(阻值范圍0～200Ω，額定電流2A)

已知兩個表的刻度盤上都將量程均分為6大格，要求從0.1A起對每條刻度線一一進行核對。為此，從備用的電阻器中R0應選用______，R應選用______(用字母代號填入)。

解 定阻電阻器R0在電路中稱為限流電阻，它的作用是限制電路中的最大電流。使之不超出安培表的量程過多，從而對安培表起保護作用。滑動變阻器R為調(diào)節(jié)電阻，它的作用是調(diào)節(jié)電路中的電流強度，從而實現(xiàn)對電路中的電流強度起控制作用。從題中的要求看，即電流應在0.1～0.6A的范圍內(nèi)，I=U/R，即電阻的最小值小于10Ω，最大值應大于60Ω，即R0應選用A，R應選用D。

2.3 方便性原則

所謂方便性原則，就是在保證實驗能夠順利進行的條件下(安全性、適用性符合要求)，如何恰當?shù)剡x擇器材或?qū)嶒炑b置使實驗操作方便易行。這一原則在電學實驗中也很突出，主要表現(xiàn)在滑動變阻器的選擇、分壓電路與限流電路的選擇等。

滑動變阻器在電路中有兩種接法:分壓式接法和限流式接法。 當滑動變阻器用作限流時，其連接如圖4所示，它是把滑動變阻器串聯(lián)在電路中，用以控制或調(diào)節(jié)電路中的電流。此電路中待測電阻Rx兩端的電壓的調(diào)節(jié)范圍是[E#8226;Rx/(Rx+R)]~E。

當滑動變阻器用作分壓時，其連接如圖5所示，它是從滑動變阻器上分出一部分電壓加在待測電阻上。其優(yōu)點是當它的滑片從a端向b端滑動時，待測電阻Rx兩端的電壓可從零開始連續(xù)變化到所需電壓(限流式則不能)，且電壓的調(diào)節(jié)范圍是0~E，比用作限流時要大。

變阻器的接法的選擇可以根據(jù)以下條件判斷:

(1)以下幾種情況一般選分壓電路:

①要求被測電阻兩端電壓變化范圍較大，如有些實驗要求畫出U-I圖象的，或要求電壓從零開始連續(xù)可調(diào)的。

②若用限流接法接成電路，電路中的最小電流仍大于待測電阻的額定電流或電路中電流的額定值的。

③滑動變阻器的電阻RRx，為使電流有明顯的變化也應用分壓電路。

(2)若滑動變阻器的阻值R>Rx，兩種電路都符合要求，選限流接法，具有省電、電源負擔輕、電路連接簡便的優(yōu)點，應用限流法。

(3)限流式適合測量阻值小的電阻(跟滑動變阻器的總電阻相比相差不大或比滑動變阻器的總電阻還小)。分壓式適合測量阻值較大的電阻(一般比滑動變阻器的總電阻要大)。

2.4 準確性原則

所謂準確性原則，就是要求實驗誤差小，精度高。這一原則是物理實驗的普遍原則之一。要減小實驗誤差，途徑是多方面的，這里只介紹如何選擇實驗器材和實驗裝置，以期使實驗誤差減小到最低限度。主要是電壓表的內(nèi)接法和外接法的選擇。