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类 别高中理化生编 号高中物理电学实验设计方略内容摘要：电学实验设计是高中学生必须掌握的重要内容之一，是近几年高考的重点和热点。纵观近几年的高考试题可知，电学设计性实验是最为常见的题型。其特点是：均为课本实验的拓展与变式，均需要对电路的基本原理和规律进行思考与设计，弱化了直接用公式或模型，强化实验设计中的原理意识。如何让学生能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，提高学生掌握知识的水平和实验设计能力，是实验教学中有待解决的重要问题。本文以电阻的测量为例，谈谈高中物理电学实验设计方略。关键词：电学；实验；设计电学设计能力和迁移能力是高考考查实验能力的重要手段，电路设计是实验能力考查的重点内容，电学实验设计过程是综合运用电路知识的过程，应重视对知识系统的构建，充分注意知识的完整性、系统性和综合性。电路设计主要包括电学实验原理和方法的选择与迁移，以及电学仪器、元件的合理选择；电路连接主要根据电路原理图，对所提供的实物图进行连接，重点是电源、电表正负极及滑动变阻器是否处于最大值等问题。变阻器的使用在实验设计中往往处于关键的地位，它是电学实验设计中较难掌握的内容。它难在学生解决这类问题时往往感到不知从何入手，笔者从教学实验中体会到：要让学生能解决问题，应引导学生懂得实验设计的原则、思路和方法。应让学生独立地对课本电学实验所涉及到的概念、原理进行初步归纳总结，比较不同实验之间在知识、方法上的联系、区别，做到整体把握。在此基础上，探究具体实验中可用的原理、方法，促进原理、方法迁移。如电阻的测量实验，基本原理为：部分电路欧姆定律、串并联电路等，是这些知识的综合应用。一、基本知识1、理解电表实质，统一对电流表和电压表的认识，做到分工不分家。（1）电流表、电压表、电流计是电路中最常出现的仪器。一般而言，电流计的内阻Rg约为几十到几百欧姆，满偏电流和满偏电压都非常小。电流计串联一个相应的电阻就可使它改装成所谓的电压表；电流计并联一个相应的电阻可使它改装成所谓的电流表。可见，电流计，电流表，电压表并无本质区别，仅仅是量程与阻值不同罢了。（2）若已知电表的内阻，电压表可作电流表用，电流表也可作电压表用。所以在已知电表内阻的情况下，到底选用哪个电表关键是看表的电流和电压的量程与内阻大小。现要测量某一电流表A的内阻RA。，给定器材有：待测电流表A(量程300uA，内阻RA约100)；电压表V(量程3V，内阻RV=1K)电源E(电动势4V，内阻忽略不计)；固定电阻三个；R1=10，R2=100，R3=1000；滑动变阻器R(阻值范围020，允许通过的最大电流0.5A)；电键S一个，导线若干。要求测量时两电表的指针偏转均超过其量程的一半。(1) 试从三个固定电阻中选择一个，与其它器材一起组成测量电路，在如图所示的方框中画出测量电路的原理图(要求电路中各器材用题中给定的符号标出)。(2) 电路接通后，若电压表的读数为U，电流表的读数为I，用已知量及测得的物理量表示电流表内阻RA点拨：本实验中，电流表和电压表的内阻均已知，因而两表相通；从满偏电流可以知道，电压表应当电流表使用，电流表应当电压表使用。2、变阻器的使用(1) 基本连接方式A、限流接法的电路比分压接法的电路简单，调节方便，但调节范围较小；B、分压式接法的线路较复杂，且随着滑动端的移动，电压并非均匀变化，所以调节起来不如限流式方便。因此，在设计电路的时候，应首先考虑限流式，若确实无法满足题目要求，再选分压式接法。下图是两种连接方式的比较接法电路图特点适用条件限流式接法1用电器R0与滑动变阻器R的部分电阻串联，另一部分不起作用。2R0上电压调节范围为ER0与R的阻值差不多，且不要求R0上电压调至零分压式接法用电阻器R0与滑动变阻器的部分电阻并联后再与另一部分串联R0上电压调节范围0E要求电压调节能从0开始增大R比R0小，RR(2) 变阻器的限流接法与分压接法的选择原则 优先考虑限流接法，因为限流接法的电路比分压接法的电路简单而且能耗少； 当变组器的最大阻值相对较小，造成调压范围(最小电压)不能满足要求时考虑选用分压接法； 题目要求电压从零开始调节，则必需采用分压式。(3) 变阻器的选择原则 最大电流值较大的好，至少要够用； 阻值并非越大越好，太大反而会造成调节不便，阻值够的情况下应选取小的。3、电源中学物理实验中主要使用干电池、学生电源和蓄电池。(1) 干电池每节电动势约1.5V，内阻0.2左右，不能提供较强的电流（0.6A以下），学生实验中用作测定电源的电动势和内电阻等。(2) 铅蓄电池的电动势约2V，内阻小（约0.05），可以提供较强的电流。在一些需要短时大电流放电的实验中常用，如在研究电磁感应现象的学生实验中、安培力的演示实验中都要用到。(3) 学生电源的最大特点是输出电压可调、交直流可变换。它的内阻不但偏大而且是变化的，用于电磁打点记时器和描绘电场中等势线的实验。二、设计原则中学电学实验设计的原则，说法不一，笔者认为一般可归纳为四个原则：(1) 科学性原则：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理，应有科学的依据及正确的方案。(2) 安全性原则：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对人身和仪器造成危害。要注意到各种电表均有量程，电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流。(3) 操作性原则：实验时调节方便、便于操作，便于读数，便于进行数据处理，便于实验者直观、明显的观察。如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在两者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。(4) 精确性原则：实验误差应控制在误差允许范围之内，尽可能选择误差较小的方案。 在安装器材时或使用仪器之前，应按实验要求对器材、仪器精心调整。如：在使用某些仪器之前，应留心进行机械调零。 选用合适的测量工具（直尺、仪表）及合适的量值范围，使之与被测数值相匹配。如使应万用电表测量某电阻时应选用合适的挡位，使测量时电表指针指在中央刻度值附近。 针对实验中可能出现的操作因素而带来的偶然误差，往往多次重复实验获取多组实验数据、结果，以备选取有效信息、数据。 设计合理的数据处理方式。如：将多组有效数据相加后除以测量次数，取其算术平均值（一般求待测量的算术平均值，而不是求中间某些量的算术平均值）。三、设计思路题目要求和给出的条件物理规律和原理基本仪器的使用知识演示和分组实验的实验原理数据处理实验步骤需测物理量和所需器材实验原理实验设计可以用下面的框图表示解决设计型实验问题的关键是确定实验原理，它是进行实验设计的根本依据和起点，它决定应当测量哪些物理量、如何安排实验步骤、如何处理数据等。实验原理的确定，要根据问题的要求和给出的条件，回顾学生实验和演示实验（回归课本），寻找能够迁移应用的实验原理，或者回顾物理原理，寻找有关的物理规律，设法创设相关的物理情景，并根据已掌握的基本仪器核对是否能够测出必须测定的物理量。因此，掌握基本仪器的使用方法、基本的实验方法和基本物理原理是解答设计型实验题的基础。中学的设计型实验一般要求考生根据题目提出的目的要求和给出的器材设计出实验方案。这类题对考生的要求较高，要求考生能将课本中学生实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。当然，要求做到所设计的线路尽可能达到安全、精确、方便、经济。首先，实验设计的第一原则是安全，其次注意实验结果误差要小，要精确；第三要考虑可操作性是否强；第四要考虑计算是否方便；最后考虑节省器材，有节约能源和材料的意识，使实验尽可能经济些。四、设计方法1、转换法将对一个物理量（不易测）的测量转化为对另一个物理量（易测）的测量，这种转化方法称为转换法。转换法在物理实验中应用比较广泛。如：在测量金属电阻率的实验中，虽然无法直接测量，但可用直尺、螺旋测微器分别直接测出金属电阻丝的长度、直径，并将金属电阻丝接入电路，直接用电表测量电阻两端电压和电流，再运用欧姆定律、电阻定律间接测出金属电阻率。2、模拟法在进行物理研究时，有时受客观条件的限制，无法对某些自然现象进行实验，此时，我们人为地创造一定的条件和因素，使之与自然现象有一定的相似特征，从而在模拟的情形下进行实验，“变无法为有法”。如：直接对静电场的等势线进行测量很困难，我们可利用易测量的电流场模拟静电场方便地进行研究。3、近视替代法在某些实验中，由于器材的限制，无法对被测物理量进行很精确的测量。但是我们可以测出它的近似值，在实验误差允许的范围内，可以用此测量值表示被测物理量的值。（伏安法测电阻）有一个纯电阻用电器，其电阻约为20，试设计一个能精确地测量该用电器电阻的电路，要求使用电器两端的电压变化范围尽可能地大，可选用的器材有：电源：电动势为8V，内电阻为1.0；电流表：量程0、6A，内阻RA约为0.5；电压表：量程10V，内阻Rv约为20K滑动变阻器：最大电阻值为5.0。开关一个、导线若干。(1) 在右边的方框内画出实验电路图。(2) 用该电路可以使用电器两端的电压变化范围约为。(3) 若实验中在用电器正常工作的状态下电流表的示数为I，电压表的示数U，则测量用电器电阻值的表达式为。点拨：本实验中，由于电压表内阻远大于被测电阻，所以采用电流表外接。考虑到电表内阻引起的系统误差，测量结果偏小，但偏差很小。（半偏法测电流表的内阻）有一电流表A，量程为1mA，内阻Rg，约为100欧姆。要求测量其内阻。可选用的器材有：电阻箱R0，最大阻值为99999.9，滑动变阻器甲，最大阻值为10K；滑动变阻器乙，最大阻值为2K；电源E1，电动势约为2V，内阻不计；电源E2，电动势约为6V，内阻不计；开关2个导线若干。采用的测量电路图如图所示，实验步骤如下：a、断开S1和S2将R调到最大；b、合上S1，调节R，使A满偏；c、合上S2，调节R1使A半偏，此时可以认为A的内阻Rg=R1。试问： 在上述可供选择的器材中，可变电阻R1应该选择哪个；为了使测量尽量准确，可变电阻R应该选择哪个；电源E应该选择哪个。 认为内阻Rg=R1，此结果与Rg的真实值相比哪个大。点拨：(1) 在电路中,若小电阻与一个阻值相对很大的电阻串联时,那么调节小电阻时，电路的总电阻(约等于大电阻)几乎不变,电路中的电流也几乎不变。(2) 半偏法的半就是1/2,是特殊取值,实际上用4/5偏转或5/8偏转一样可以完成实验,不过相应的计算会复杂一些,当然偏转量不能太小(不小于1/2)。(3) 实验中由于忽略了电阻箱接入而引起的总电阻变化，因而引起测量结果总是偏小。(4) 在额定电流及电源电动势许可的情况下，应选取阻值大的滑动变阻器，这样可以减少系统误差。（半偏法测电压表的内阻） 实验室内有一电压表mV，量程为500mV，内阻约为2.5K。现要测量其内阻，实验室提供如下器材：电源E1(电动势为3V，内阻不计)，电源E2(电动势为6V，内阻不计)，电阻箱R(阻值09999.9)滑线变阻器R1(总阻值约15，额定电流1A)，滑线变阻器R2(总阻值约150，额定电流1A)，开关S及导线若干。在既不损坏仪器又能使精确度尽可能高的条件下，请你选出合适的器材，设计一个测量电压表内阻的电路。 电源应选哪个。滑线变阻器应选哪个。 利用该电路测量的电压表内阻与真实值哪个大 在答题的虚线框内画出所设计的电路图。点拨：(1) 在电路中，如果大电阻与一个阻值相对很小的电阻并联时，那么调节大电阻时，两者并联的总阻值几乎不变，两者两端的电压几乎不变。(2) 实验中由于忽略了电阻箱阻值的变化而引起的总电阻变化，因而引起测量结果总是偏大。(3) 选择器材时，在额定电流许可的情况下，应选取阻值小的滑动变阻器，这样可以减少系统误差。综上所述，用半偏法测电表内阻时，一般需要一个滑动变阻器和一个电阻箱，而且滑动变阻器的电阻与待测电阻悬殊较大。当待测电阻阻值远大于滑动变阻器的总电阻时，用分压半偏法，测量值偏大；当待测电阻远小于滑动变阻器的总电阻时，用限流半偏法，测量值偏小。简记为“大大小小”（即测大电阻，用分压半偏，测量值偏大；测小电阻，用限流半偏，测量值偏小）。4、等效替代法用一个标准的已知量代替被测量，并调整此标准量，使整个测量系统恢复到替代前的状态，则被测量等于标准量。一电流表的内阻Rg约在1 K-2 K之间，现要测量它的内阻，提供的器材有：编号器材名称及技术指标编号器材名称及技术指标A待测电流表G（量程250uA）B电源E（4V，内阻0.6）C电阻箱RA（0-9999）D滑动变阻器R1（0-20，1A）E滑动变阻器（0-250，0.6A）F滑动变阻器R3（0-1K，0.3A）G标准电流表G/（量程250uA）H电键S1、S2及导线若干(1) 在右边的方框内画出实验电路图；(2) 写出实验步骤。点拨：(1) 等效替代法测电阻的原理是：阻值相同，在电路中的效果相同。(2) 等效替代法的优点是没有系统误差，不需要读出电表的示数，电表的功能是指示。5、补偿法因实验原理的缺陷造成误差，通过对误差的补偿，使误差得以减少。用半偏法测电流表内阻，提供的器材如下：干电池(电动势E约为1.5V，内阻r约为10欧姆)，待测电流表A(050uA，内阻约4K)、电阻箱R1、R2(均为099999.9)、电键、导线若干。实验电路如图，有关实验操作及测量如下：. 只闭合S，当调节R1到26090.0欧姆时，电流表A满偏；. 再闭合S1，R2调为3770.0欧姆时，电流表A半偏，由此可得电流表的内阻R2的测量值为多少。 半偏法测量电流表内阻时，要求R1Rg(比值R1/Rg越大，测量误差越小)，本实验中R1虽比Rg大。但两着之比不是很大，因此导致Rg的测量误差较大。具体分析如下：电流表A半偏时的回路总电阻比全偏时的回路总电阻偏小，导致这时的总电流变大，半偏时R2小于Rg。 为减小Rg的测量误差，可以通过补偿回路总电阻的方法，