建立功能電路觀點(diǎn)解決電路實(shí)驗(yàn)問題お

田鵬

高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題形式多樣，變化靈活，是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)所在.學(xué)生在做電學(xué)實(shí)驗(yàn)題時(shí)往往不能理解實(shí)驗(yàn)原理，不會畫實(shí)驗(yàn)電路圖，無法根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行計(jì)算以完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康模诮虒W(xué)中發(fā)現(xiàn)這類題目學(xué)生得分率極低.針對這種情況，本文從電路模型的建立和對功能電路的識別出發(fā)，給出一種解決電路實(shí)驗(yàn)問題的思路.

1功能電路

按照功能劃分電路，是電子線路的觀點(diǎn)，將此觀點(diǎn)運(yùn)用于高中電路的學(xué)習(xí)，有助于搞清楚電路各部分的作用，實(shí)踐證明，這種觀點(diǎn)和方法是卓有成效的.高中階段按照功能電路的觀點(diǎn)來看，電路可分為四種或四部分，分別是供電電路，測量電路，保護(hù)電路和校對電路，其中主要的是供電電路和測量電路.

1.1供電電路

顧名思義，供電電路負(fù)責(zé)給電路供電，一般包括電源和滑動變阻器兩個元件.供電電路有三種方式：

第一種是初中學(xué)過的、拿電源直接給用電器供電；

第二種就是高中學(xué)過的分壓式供電電路，如圖1所示；

第三種就是限流式供電電路，如圖2所示.

關(guān)于供電電路是選擇分壓式還是限流式已有多篇文章分析過，本文不再贅述，只用16字簡單總結(jié)一下：零起必分，滑小必分，滑大可限，燒表必分.

1.2測量電路

顧名思義，測量電路負(fù)責(zé)對電路中的相關(guān)量進(jìn)行測量，因?yàn)楦咧形锢碇械碾妼W(xué)測量工具只有電壓表和電流表及萬用電表，故而測量電路這部分主要就是伏安電路.由于電表本身有內(nèi)阻，方法上又分為外接法和內(nèi)接法，外接法適合測量小電阻，測量值小于真實(shí)值，內(nèi)接法適合測量大電阻，測量值大于真實(shí)值，可簡單總結(jié)為“外小內(nèi)大”.需要注意的是，測量電路它具有的就是測量功能，故而電路中相關(guān)量的測量與計(jì)算只看這部分電路即可，不需去管供電電路.

1.3保護(hù)電路

保護(hù)電路實(shí)際上就是一個電阻，它負(fù)責(zé)保護(hù)測量電路.一般是在供電電路和測量電路對接的時(shí)候接保護(hù)電路即可.

1.4校對電路

這種電路主要是在把電表改裝后需要與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行校對，校對不僅僅是把改裝表和標(biāo)準(zhǔn)表連在一起就行了，我們需要給它提供一個完整的電路，這個電路就叫校對電路.

有了功能電路的思想后，我們再看電學(xué)實(shí)驗(yàn)主要測什么.

2三個測量

高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)歸納起來就是三個測量：測電阻，測電表，測電源.

測電阻就是測量電阻的阻值，測電表就是測非理想電表的內(nèi)阻，測電源就是測電源電動勢和內(nèi)電阻.那么這些量的測量各有幾種方法？

2.1測電阻

測電阻可歸納為以下幾種方法： ①歐姆表法；②電阻的決定式；③伏安法；④比例法；⑤等效替代法.

其中等效替代法不僅是高中物理任何一個實(shí)驗(yàn)都可以用的方法，更是一個用途廣泛、道理簡單、使用方便的方法，應(yīng)該引起我們的高度重視.

2.2測電表（的內(nèi)電阻）

測電表可歸納為以下幾種方法：①歐姆表法；②伏安法；③比例法（半偏法）；④等效替代法.

由于測電表的內(nèi)電阻本質(zhì)上仍然是測電阻，故而測量方法與測電阻的方法基本一致.但是電表本身能夠自報(bào)讀數(shù)，在知道電表內(nèi)阻的情況下可以伏安互換，一表三用，就又衍生出了許多測量方法，但仍然體現(xiàn)了測電阻的共性方法.

2.3測電源（的電動勢和內(nèi)電阻）

測電源可歸納為以下幾種方法：①兩表一電阻；②一表兩定阻；③理想電表法.

該實(shí)驗(yàn)從原理上來講就是閉合電路歐姆定律，需要關(guān)注測量電路，對閉合電路歐姆定律變形得出符合圖象的函數(shù)表達(dá)式，結(jié)合圖象由斜率和截距等來求電動勢和內(nèi)阻.

3舉例說明

例1實(shí)驗(yàn)室備有以下器材：

待測電阻Rx；

不能看作理想表的電流表A；

不能看作理想表的電壓表V；

滑動變阻器R1；

電阻箱R（最大阻值大于待測電阻的估計(jì)值）；

低壓直流電源，導(dǎo)線、開關(guān)若干.

（1）利用所提供的器材，設(shè)計(jì)一個測量R的實(shí)驗(yàn)方案，要求避免由于電壓表和電流表不能看作理想表對實(shí)驗(yàn)造成的誤差.畫電路圖.

（2）簡述實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟.

解析首先明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪菧y電阻，但題目中給的是非理想表，而且要避免由于非理想表引起的誤差，那么在測電阻的五個方法里面篩選，歐姆表法和電阻的決定式法不能用，伏安法必須考慮電表的內(nèi)阻，也不能用，剩下的就是[TP1GW113.TIF，Y#]比例法和等效替代法，很顯然，等效替代法是最簡單的，因此從方法上選擇等效替代法.

接好的電路如圖3.

在等效替代法中，被測物和替代物不能同時(shí)接入電路中，因此我們用了兩個開關(guān)加以控制.要讓它完成實(shí)驗(yàn)必須要有供電，我們用了一個限流的電源.

主要的實(shí)驗(yàn)步驟就是：（1）閉合總開關(guān)S3，然后閉合S1，使被測電阻Rx接入電路，讀出電流表的讀數(shù)；（為了讀數(shù)方便，我們可以調(diào)節(jié)滑動變阻器得到一個比較方便的讀數(shù)，其實(shí)這個地方的電流表只起一個記錄的作用） （2）斷開S1，閉合S2，使電阻箱接入電路，調(diào)節(jié)電阻箱，使電流表的示數(shù)重復(fù)出現(xiàn)，這時(shí)電阻箱的示數(shù)就是待測電阻的阻值.

我們完成一個實(shí)驗(yàn)，首先要知道它測什么，知道這個測量有幾種方法，再根據(jù)已給出的器材就能夠決定我們用什么方法，就能夠畫出相應(yīng)的電路圖.

例2從下表中選出適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)一個電路來測量電流表A1的內(nèi)阻.要求方法簡潔，有盡可能高的測量精度，并能測得多組數(shù)據(jù).

（1）畫出電路圖，標(biāo)明所用器材代號；

（2）若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計(jì)算，則所用的表達(dá)式是什么？各符號的物理意義是什么？

[HT6][WB]器材：[WB]規(guī)格：

[DW]電流表A1（待測物）[DW]量程10 mA，內(nèi)阻r1待測（約40 Ω）

[DW]電流表A2[DW]量程500 μA，內(nèi)阻r2=750 Ω

[DW]電壓表V [DW]量程10 V，內(nèi)阻r3=10 kΩ

[DW]電阻R1[DW]阻值約為100 Ω做保護(hù)電阻用

[DW]滑動變阻器R2[DW]總電阻約為50 Ω

[DW]電池E[DW]電動勢1.5 V，內(nèi)阻很小

[DW]電鍵S

[DW]導(dǎo)線若干

解析首先明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y電表內(nèi)阻，那么思考改用什么測量方法呢？由測電表的四種方法，很多同學(xué)容易想到伏安法，那么我們畫出伏安法的測量電路這一部分，一般有三種畫法： 我們比較三種做法，第一種（見圖4），原理正確，但被測物是電表，可以自報(bào)讀數(shù)，只需要再測出表A1的電壓即可，這里多用了一塊電表，不符合“方法簡單”的要求；第二種（見圖5），比第一種簡單，但根據(jù)已知條件電壓表的量程是10 V，電源的電動勢是1.5 V，即使將電源直接接到電壓表上，表針的擺動幅度也只有1.5/10格，無法達(dá)到比較高的測量精度，這個缺點(diǎn)在第一種圖中也同樣存在；第三種（見圖6），因電表A2的內(nèi)阻已知，所以可以把它當(dāng)電壓表來用，即伏安互換，互換之后的量程是否滿足要求呢？根據(jù)已知條件A1的滿偏電流10 mA，內(nèi)電阻約為40 Ω，那么這個表的滿偏電壓是0.4 V.A2的滿偏電流500 μA，內(nèi)電阻750 Ω，那么這個表的滿偏電壓0.375 V，量程相近，滿足題目要求.

由于被測量的表達(dá)式只由測量電路決定，與其它電路無關(guān)，所以畫出測量電路后，被測物理量的表達(dá)式自然出現(xiàn)，

下面我們看該電路的其它部分：

在圖7中使用的是限流式的供電電路，用分壓式可以嗎？當(dāng)然可以.用電源直接供電呢？不行，因?yàn)樗荒軡M足題目測量多組數(shù)據(jù)的要求.

另外，保護(hù)電路就是一個電阻（見圖8），在測量電路和供電電路對接的時(shí)候加上這個保護(hù)電阻即可，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生不能識別定值電阻的用途，不知道它是做保護(hù)電路使用，故而出現(xiàn)了許多不應(yīng)該出現(xiàn)的問題.

例3如圖9所示，圖中E為直流電源，R為已知電阻，V為理想電壓表，其量程略大于電源電動勢，S1和S2是開關(guān)，現(xiàn)要利用圖中電路測量電源的電動勢E和內(nèi)阻r，試寫出主要實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果的表達(dá)式.

解析實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y電源電動勢和內(nèi)電阻，題中給了一個理想電壓表，并且量程大于電源電動勢，篩選測電源的方法，可以用理想電壓表直測.把S1斷開，S2閉合，則電壓表的讀數(shù)U1就是電源電動勢.

內(nèi)電阻怎么測呢？再閉合S1，此時(shí)外電路閉合，電壓表測的就是路端電壓而不是電動勢了，電壓表讀數(shù)記為U2，然后根據(jù)閉合電路歐姆定律即可求出內(nèi)電阻.得E=U1，r=[SX（]U1-U2[]U2[SX）]R.

以上三個例題較典型的說明了用功能電路的觀點(diǎn)解決電路實(shí)驗(yàn)問題的基本思路，教學(xué)中要緩慢滲透，通過典型例題使學(xué)生建立起閱讀電路的基本思路，進(jìn)而把電路劃分成各功能部分，明確各部分的作用，才能較好的解決電路實(shí)驗(yàn)問題.