談高三電學設計性實驗復習

本文探討如何提高學生設計電學實驗能力，正確選用實驗器材，快速、準確地設計實驗電路圖。

一、抓住電路設計的原理和儀器設計原理

1.深刻理解實驗原理，明確實驗目的。

實驗原理是物理實驗的核心，是設計性實驗的基礎。只有在真正領會實驗原理的基礎上，才能理清實驗思路，掌握實驗方法，合理安排實驗步驟，從而進行實驗的設計、改造和創新。因此要想提高學生設計實驗能力，首先必須讓學生理解實驗原理。如電學實驗中常見的問題是電阻的測量，常用方法是“伏安法”。其實驗原理是部分電路歐姆定律I=，只要測出待測電阻兩端的電壓和通過的電流，就可以求出待測電阻的阻值，而其它方法都是由此法演變出來。所以抓住了實驗原理就是抓住了“綱”。

2.掌握儀器的基本結構、設計原理。

如電流表可看成能顯示自身通過電流的電阻，就可以把已知內阻的電流表視為電壓表使用；電壓表看成能顯示自身兩端電壓的電阻，就可以把已知內阻的電壓表視為電流表使用。這樣可拓寬學生電路設計的視野，提高電路設計靈活性。

二、掌握和遷移電路設計的方法

（一）伏安法

已知有電壓表和電流表，且量程恰當時用“伏安法”。

例1 現有一只額定電壓為2.5V額定功率為0.50W的小燈泡，欲通過實驗較準確地描繪小燈泡的伏安特性曲線，要求小燈泡兩端電壓在0-2.5V內可調，提供如下器材：

A．2.5V，0.50W小燈泡

B．電壓表量程3V，內阻約10kΩ

C．電流表量程0.3A，內阻約2Ω

D．電流表量程10mA，內阻約50Ω

E．滑動變阻器2000Ω，0.1A

F．滑動變阻器10Ω，1.0A

G．蓄電池4V

H．電鍵S，導線若干

請畫出實驗電路圖。

分析 用電壓表并聯在燈泡兩端測燈泡電壓，用電流表測通過燈泡的電流。因為燈泡額定電流I==0.2A，電流表選C。該燈泡電阻約為幾十歐姆，電壓表的分流作用可忽略，所以采用電流表外接法。要較準確描繪小燈泡的伏安特性曲線，滑動變阻器應用分壓式接法，從方便操作的角度考慮，滑動變阻器應用阻值較小的F。電路設計如圖1所示。

(二) 儀表改裝法

有電壓表和電流表，但在運用伏安法測電阻時，電壓表或電流表的量程太小，為滿足安全、精確，需要對量程進行改裝，擴大量程。

例2 標有“6V，1.5W”的小燈泡，測量其在各不同電壓下的實際功率，提供的器材除導線和開關外，還有：

A．直流電源6V（內阻不計）

B．電流表量程3A（內阻0.1Ω以下）

C．直流電流表量程300mA（內阻約為5Ω）

D．直流電壓表量程3V(內阻3kΩ）

E．定值電阻R0=3kΩ

F．滑動變阻器10Ω，2A

G．滑動變阻器1kΩ，0.5A

為盡量減小實驗誤差，并要求從零開始多取幾組數據，畫出滿足實驗要求電路圖。

分析 題目中有電壓表和電流表，首先想到采用伏安法，但電壓表的量程太小，為滿足安全、精確原則，應串聯一電阻，擴大電壓表的量程。小燈泡的額定電流為250mA，電流表選C。該燈泡電阻約為幾十歐姆，因為＞，所以采用電流表外接法。為盡量減小實驗誤差，并要求從零開始多取幾組數據，滑動變阻器應用分壓式接法，從方便操作的角度考慮，滑動變阻器應用阻值較小的F。電路設計如圖2所示。

（三）儀表改用法

缺少一類儀表，但有兩個或者多個同類儀表，在已知某一個儀表量程和具體的內阻情況下，電壓表可以當成電流表使用，同樣電流表也可以當成電壓表使用。即轉移實驗儀器的功能，轉換實驗儀器的角色，也稱為儀表“反串”使用法。

例3 測量一待測電阻的阻值，器材（代號）與規格如下：

電流表A1（量程250mA，內阻r1為5Ω);

標準電流表A2（量程300mA，內阻r2約為5Ω）；

待測電阻R1（阻值約為100Ω）；

滑動變阻器R2（最大阻值10Ω）；

電源E（電動勢約為10V，內阻r約為1Ω）；

單刀單擲開關Ｓ，導線若干。

要求方法簡捷，并能測多組數據，畫出實驗電路原理圖，并標明每個器材的代號。

分析 本題由于題目中缺少電壓表，無法用伏安法測電阻。但電流表A1的量程和具體內阻已知，如果把A1并聯在R1兩端，電流表A1就充當了電壓表的角色，可求出待測電阻兩端電壓。再將此并聯部分與電流表A2串聯，讀出兩電流表的讀數，就可求流過待測電阻的電流，進而求出待測電阻的阻值。題目要求“并能測多組數據”， 則滑動變阻器采用分壓式接法。

實驗電路圖如圖3所示，待測電阻的阻值為R1=r1。

（四）替代法

當有一類儀表不可用（如量程太大）或缺少時，增加一個定值電阻（或電阻箱），當做電表使用的方法。替代法常見有兩種類型：一是定值電阻作電表使用；二是儀表作為顯示示數的儀器，采取多過程間接測量未知電阻的方法。

1.定值電阻作電表使用

例4 要測量電壓表V1的內阻RV，其量程為2V，內阻約2kΩ。實驗室提供的器材有：

電流表A，量程0.6A，內阻約0.1Ω；

電壓表V2，量程5V，內阻為5kΩ；

定值電阻R1，阻值30Ω；

定值電阻R2，阻值為3kΩ；

滑動變阻器R3，最大阻值100Ω，額定電流1.5A；

電源E，電動勢6V，內阻約0.5Ω；

開關S一個，導線若干。

①有人擬將待測電壓表V1和電流表A串聯接入電壓合適的測量電路中，測出V1 的電壓和電流，再計算出RV。該方案實際上不可行，其最主要的原因是 。

②請從上述器材中選擇必要的器材，設計一個測量電壓表V1內阻RV的實驗電路。

解析 本題測量電壓表V1的內阻RV，電壓表可以直接讀出其兩端的電壓，若再測出通過它的電流就行了。將待測電壓表V1和電流表A串聯接入電壓合適的測量電路中，電壓表電阻較大，電路中的電流太小，電壓表V1允許通過的最大電流約I==1mA，電流表讀數誤差太大，所以這種設計方案不可行。

但題中給出了定值電阻，若能將定值電阻兩端的電壓測出來，就能計算出通過它的電流，再把定值電阻和待測電壓表串聯，就可知道流過待測電壓表的電流。因R2阻值與待測電壓表內阻相當，則定值電阻R2就起到一個電流表的作用。本題中滑動變阻器電阻遠小于待測電壓表的內阻，因此采用分壓式接法。電路設計如圖4所示。由并聯電路特點及歐姆定律有U2=U1+R2 ，解得：RV= 。

2.多過程間接測量未知電阻替代

先測量待測電阻，在儀表示數不變和其它條件不變（如滑動變阻器的阻值不變）的前提下，后測量定值電阻（電阻箱），可以用定值電阻（電阻箱）等效替代未知的電阻。

例5 為測量電阻R1，實驗室提供的器材有：電阻箱R，起保護作用的滑動變阻器R2，電源電動勢約為6V，S為單刀雙擲開關，電流表的量程為0.6A（可視為理想電表），用以上提供的器材設計一測量電路。

解析 題目中缺少電壓表，無法用伏安法測電阻。但可將測量電阻與電流表串聯，適當調節滑動變阻器，記下電流表的示數。保持滑動變阻器的阻值不變，將電阻箱與電流表串聯，調節電阻箱，使電流表示數與第一次相等，則電阻箱的阻值為待測電阻的阻值。電路設計如圖5所示。

設計實驗能力的提高需要一個過程，教學中要以課程標準中要求的學生實驗為基礎，注重對實驗原理的理解，實現方法的遷移。樹立“等效替代”思想，開拓思路，讓學生體會設計思想，使其分析、歸納和設計實驗能力逐步得到提高。