電學實驗中應注意的幾個問題

孫雪梅

電學實驗中應注意的幾個問題

孫雪梅

孫雪梅/長春教育學院理化生系副教授（吉林長春130061）。

2012年十月筆者擔任了長春市初中物理學科骨干教師實驗教學技能競賽的評委，參加了電學實驗的評審。這次競賽在現有初中物理實驗教學要求的基礎上略有提高，競賽中部分老師在基本儀器的選擇、使用和實驗操作上都暴露出很多問題，也有部分老師對電學實驗的某些要求知其然而不知其所以然，下面就其中的幾個共性問題作一些探討。

一、電流表和電壓表的正確使用

（一）電流表和電壓表量程的選擇

首先待測量不能超過電表的量程，若已知待測量大小，可直接選擇合適的量程，即待測量應使電表的指針偏轉到滿偏刻度的2/3左右。若待測量大小未知，一般先要用大量程“試觸”，再選擇合適的量程。“試觸”即開關瞬間閉合后，立即斷開，試觸的作用，一是確定所選電表的量程是否合適；二是檢查電表的連接是否正確。試觸時速度要快，如果過慢，當指針反偏時則極易被碰彎或遭到損壞，電表只有在指針正偏和量程選擇合適的情況下，才能保證其安全使用和精確測量。

（二）電流表和電壓表零點校準

為了確保測量的準確度，電表使用前必須檢查其指針是否指零，若有偏差要進行零點校準。競賽中多數老師都忽視了這個環節，在電表使用前沒有檢查零點并予以校準，給測量結果帶來零位誤差。還有個別老師把電表拿在手中調零，這也是不正確的。正確的方法是：先晃動一下電表，查看指針轉動是否靈活，然后把電表放到桌面上，放穩后調零，調零時一定要保證視線與表盤垂直。

（三）電流和電壓的測量

測量時，為減小誤差，提高測量的準確程度，應盡量使電流、電壓測量值在電表滿偏刻度的2/3以上。這是由于電表本身在結構設計、加工制造、材料性質等方面不盡完善，使電表的示數產生一定的誤差，這個誤差稱為基本誤差（即儀器誤差）。電表的基本誤差不因使用者不同而變化，因此它決定了電表所能保證的準確程度。電表基本誤差的確定方法是，先用一塊電表和一塊標準電表同時測量一定的電流或電壓，稱之為校準。兩電表在各刻度上的讀數差值，稱為絕對誤差，然后選取最大的絕對誤差△Xm除以電表的量程Xm，即為該電表的基本誤差

根據基本誤差的大小，可把電表分為不同的準確度等級，一般分為 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七個等級。其中 0.1 級、0.2 級表多用作標準表，校準其他的電表，0.5級表多用于精確度較高的測量，實驗室常用1.0級電表，而1.5、2.5、5.0級表為一般測量用表。用0.1、0.2、0.5級電表測量時，所產生的誤差主要是偶然誤差，系統誤差可忽略；而用1.0級以上的電表測量時，系統誤差起主要作用，偶然誤差為次要。電表的準確度等級k定義為：

當所用電表選定，即k一定時，由上式可計算出該表的最大絕對誤差

則測量值X的相對誤差為：

由該式可知，要想減小測量值的相對誤差E，在待測量不超過所選量程的前提下，應選用較小的量程Xm。測量時測量值X要盡量接近電表的量程Xm，這樣才能最大限度地達到電表的固有準確度。

二、滑動變阻器的選擇與使用

（一）滑動變阻器在電路中的作用和連接方式

滑動變阻器在電路中的作用主要是用來控制電路中電流或電壓的變化，因此在電路中有兩種連接方式：限流接法和分壓接法。

1.限流接法。如圖一所示，就是把滑動變阻器串聯在電路中，移動滑片P時，bp段電阻改變，整個回路中的電流隨之改變，所以變阻器在這里起到控制電路中電流大小的作用，即限流作用。

圖1

圖2

2.分壓接法。如圖二所示，就是把變阻器下面的兩個接線柱b、a分別與電源的兩極相連，滑片P和任一接線柱（圖二中為a）連接到負載上。電源接通后，電源電壓全部加在ba上，并從pa向負載輸出一部分電壓Upa，移動滑片P，pa段電阻改變，電源加在負載上的電壓Upa也隨之改變，變阻器起到了分壓的作用。

（二）滑動變阻器兩種接法的選擇

一般情況下，當滑動變阻器的全阻值大于負載電阻值時，選擇限流接法。這時滑動變阻器與負載串聯，對電路電流大小的調節作用明顯，但滑動變阻器的全阻值不能太大，否則，負載電壓的變化不夠平穩，調節起來極不方便，不利于操作和測量。反之，當滑動變阻器的全阻值小于負載電阻值時，選擇分壓接法，這時滑動變阻器對負載的分壓作用比較明顯，而且負載兩端電壓的可調范圍較大，利于均勻調節和測量。從電路連線和節能方面看，限流電路比分壓電路簡單且耗能小，所以在限流、分壓兩種接法均可使用的情況下，應優先選用限流接法。總之滑動變阻器兩種接法的選擇，要遵循安全、節能、方便調節、利于測量的原則，由電路的需要來決定。

（三）滑動變阻器規格的選擇

選擇滑動變阻器的規格時要把住“合適”這個尺度，即實驗時安全、便于調節和讀取數據。首先所選滑動變阻器的額定電流不能太小，以確保安全，其次所選滑動變阻器的全阻值不要太大，要與負載電阻值匹配，這樣便于調節和讀取數據。下面筆者就結合本次競賽中伏安法測電阻實驗，談談限流電路中滑動變阻器規格的選取。

若選規格為（0～10Ω，2A）的變阻器，則應采用分壓接法，因為R0＜Rx。若采用限流接法，電路中的電流I及待測電阻Rx兩端的電壓可調范圍較小，不利于多次測量取平均值。

若選規格為（0～50Ω，1.5A）的變阻器，相比之下其單位長度的阻值較大，實驗時滑片P先是移動較長的距離，電路中的電流和Rx兩端的電壓變化幅度較小，而后移動很小的距離即滑片P稍有移動，電路中的電流和Rx兩端的電壓就迅速變化，給實驗操作帶來不便；同時也使得實驗者只能在變阻器一端一個很小的范圍內移動滑片P，才能得到所需要的幾組電流和電壓測量值，給數據測量帶來不便。在這個實驗中有超過半數的老師選擇了規格為（0～50Ω，1.5A）的滑動變阻器，實驗中確實出現了上述問題。

總之不管采用限流接法還是分壓接法，實驗時如果滑動變阻器的滑片從一端移到另一端，被測電流、電壓都無明顯變化，或滑片P只有在一端一個極小的范圍內移動，電路中方能出現所需要的電流和電壓，這都說明變阻器規格選擇不當，恰當的選擇應該是：在安全的前提下，滑動變阻器在調節過程中應能用到大部分電阻線。

（四）滑動變阻器的使用

圖3

圖4

使用滑動變阻器時，應該嚴格按照實驗操作的動作規范要求來做。在移動滑片過程中應使用雙手，即一手扶持變阻器，另一只手調節滑臂，同時手不能觸碰到滑動變阻器的滑片、線圈、金屬桿等可以導電的部位，見圖3。雖然初中物理實驗中所接觸到的電壓都在安全范圍內，一般不會發生觸電事故，但老師正確規范的操作會對學生起到示范作用，使學生養成良好的實驗操作習慣，身教重于言教。本次競賽中有許多老師在調節滑動變阻器時沒有按規范要求去做，動作隨意，見圖4，這在今后的教學和實驗中應該杜絕。

三、電路的連接和儀器的擺放

（一）電路的連接

這次競賽中有一個實驗是要求參賽教師連接一個混聯電路。對于混聯電路，筆者認為有兩種連接方式比較好，一種方式是按照電路圖，從電源的正極開始，用導線順次連接各元件，把干路上的器件和任一支路上的器件按串聯電路連好，最后接到電源的負極，形成一個回路，然后再確認電路圖中的分支點，再把其他支路并聯好。另一種方式是從電源的正極開始，用導線順次連接各元件，該串聯的串聯，該并聯的并聯，最后接到電源的負極，完成整個電路的連接。這樣連接完成的電路非常清晰，導線走向明確，沒有交叉，這樣做還有一個好處就是，當出現問題時便于檢查。

連接電路時，還應該注意：每處接線必須接牢，防止虛接。接線時，接頭要擰緊，為了使接線片接觸良好，應充分利用電路中的等位點，避免在一個接線柱上集中過多的導線接片，也就是說一個接線柱上的接線片越少越好，一般要求是一個接線柱不要有三個及三個以上接線片。特別是當連接電路的導線是導線線頭時，應注意導線線頭在接線柱上的環繞方向應是接線柱螺帽旋緊的方向，否則旋緊螺帽時導線可能被擠出來。對于有墊圈的接線柱，接線片應放在兩個墊圈之間。

（二）儀器的擺放

對于儀器的擺放，應根據走線合理，便于操作和觀察的原則合理布置儀器，需要操作的儀器放在右手邊便于操作的地方，如開關、滑動變阻器，不需要操作的儀器放在左手邊，如電阻，需要觀察或讀數的儀表放在正前方，如電壓表、電流表等，電表的表面應該正對著操作者，這樣在觀察和讀數時才能保證視線與表盤垂直，避免產生視差。

圖5和圖6是這次參加伏安法測電阻實驗中兩位老師所連接的電路

圖5

圖6

圖5電路中存在的主要問題是器材擺放不合理。首先是開關放在了最左側，并且離電表也比較遠，實驗者在閉合開關時需要觀察電表指針偏轉情況，這樣不便于觀察。其次是滑動變阻器離實驗者較遠，實驗者在操作時，身體前傾較大，擋住了面前那塊電壓表，影響觀察讀數。再者電流表的表面沒有正對著實驗者，當觀察讀數時，實驗者的視線不能與表盤垂直，這樣不符合電表的讀數規范要求。

圖6所示電路，儀器布局合理，擺放得比較緊湊。需要操作的開關、滑動變阻器放在了右手邊，需要讀數的電表放在正前方，兩塊表基本并列擺放，這樣有利于觀察讀數。實驗者對導線的處理也比較有技巧，規避了因導線較長所導致的臺面上看著比較混亂的感覺，而且方便線路檢查。在線路連接上實驗者選用了紅色和黑色兩種不同顏色的導線按某種規律搭配連接，看上去清楚、易分辨，這也是一種實驗技巧。

電路連接好后，在接通電源時要做瞬態試驗，即“試觸”，目的是看看電路中有無異常情況，若有異常，如儀表指針反偏或超出量程，電路打火、冒煙、出現焦臭味或特殊響聲等，應立即斷電進行檢查。若情況正常，再閉合開關，調節線路至實驗最佳狀態。“試觸”在電學實驗中很重要，初中教學中要求學生掌握這種技能，作為教師在實驗時更應該嚴格按照這一要求來做。

為了促進物理實驗教學的落實和開展，加強對學生實驗能力的培養，《義務教育物理課程標準》（2011年版）修改并增加了對物理實驗的要求。電學實驗是初中物理實驗的重要組成部分，在教學中占有很大的比例，并且電學實驗在實驗教學中有其獨特的設計和操作規范要求。面對新課標和實驗教學內容的要求，作為初中物理教師還需進一步提高自身的實驗素質。

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[1]陶純匡，王銀峰，汪濤.大學物理實驗[M].北京：機械工業出版社，2012

[2]李艷萍，劉志遠，苑忠英.大學物理實驗教程[M].北京：機械工業出版社，2012

[3]劉炳昇，魏日升.初中物理教師實驗技能訓練[M].北京：高等教育出版社，1993

責任編輯：郭一鶴