譚嘯

【摘要】電路設(shè)計(jì)具有培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力、分析綜合能力以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ榷喾矫婺芰Φ奶攸c(diǎn)，著重分析高中物理實(shí)驗(yàn)中的一種重要的方法——伏安法，從基本原理入手，闡述伏安法測(cè)電阻在高中物理中的應(yīng)用，尋找簡(jiǎn)明的設(shè)計(jì)思路，快速而有效的作出解答是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】?jī)?nèi)接法 外接法 限流式 分壓式

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）03-0197-02

1.引言

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)練習(xí)中常常要設(shè)計(jì)電路測(cè)量導(dǎo)體的電阻、電壓表內(nèi)阻、電流表內(nèi)阻。老師說(shuō)在高考中電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有明顯的區(qū)分度，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)更能反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。本文是我在聽(tīng)老師講的課堂例題的感受和平時(shí)寫(xiě)作業(yè)的體會(huì)以及參考多種資料的基礎(chǔ)上，談?wù)劮卜y(cè)電阻如何選用器材、快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理圖。

2.設(shè)計(jì)理念與原則

理念：打破實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的神秘感，把實(shí)驗(yàn)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的計(jì)算和估算。

原則：不變應(yīng)萬(wàn)變——①不變的原則：安全、精確、簡(jiǎn)便、節(jié)能。②不變的原理：部分電路歐姆定律、閉合電路歐姆定律、串聯(lián)與并聯(lián)的特點(diǎn)。

伏安法測(cè)量電阻的原理圖一般由測(cè)量電路和控制電路兩部分組成，有時(shí)考慮保護(hù)電路（當(dāng)題目給出保護(hù)電阻）?？刂齐娐肥侵富瑒?dòng)變阻器的限流式或分壓式接法，在下列情況時(shí)滑動(dòng)變阻器要采用分壓式接法：

（1）被研究的用電器的電壓要求從零開(kāi)始調(diào)節(jié)；或者要求電壓的變化范圍大（多測(cè)幾組值）。

（2）被研究的用電器的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的最大阻值。

（3）若采用“限流式接法”時(shí)，電路中的最小電流或電壓值超過(guò)被研究的用電器的額定電流或額定電壓，或超過(guò)此電路所用的電流表、電壓表的量程。

（4）用電器上的銘牌標(biāo)志模糊不清。

而測(cè)量電路是指待測(cè)電阻RX與電壓表、電流表的相對(duì)位置，分為如下兩種情形：安培表內(nèi)接（圖1）和安培表外接（圖2）

（1）當(dāng)已知待測(cè)電阻RX、電壓表內(nèi)阻RV、電流表內(nèi)阻RA三者的近似值時(shí)，采用下列計(jì)算比較法定位置。

若 > 時(shí)，則用電流表內(nèi)接法，若 < 時(shí)，則用電流表外接法。

（2）當(dāng)未知待測(cè)電阻RX、電壓表內(nèi)阻RV、電流表內(nèi)阻RA三者的近似值時(shí)，采用下列圖3中的試觸比較法定位置。

若 > 時(shí)，則用電流表內(nèi)接法。

若 < 時(shí)，則用電流表外接法。

3.例題

例1 如圖4所示當(dāng)電壓表的右端接a點(diǎn)時(shí)兩個(gè)表的讀數(shù)為2.7V，5.0mA，當(dāng)電壓表的右端接b點(diǎn)時(shí)讀數(shù)為2.8V，4.0mA。該電阻測(cè)得較準(zhǔn)確的是多大，比真實(shí)值偏大還是偏?。?）

A.560Ω，偏大 B.560Ω，偏小

C.700Ω，偏小 D.700Ω，偏大

解： 本題屬于試觸法來(lái)確定電流表的位置。

根據(jù) = = < = = 可知電流的變化太顯著，這是電壓表分流太顯著造成的，于是應(yīng)該把電流表內(nèi)接，那么電阻測(cè)量值為RX= =700Ω，它是被測(cè)電阻與電流表內(nèi)阻的串聯(lián)值，必然大于被測(cè)電阻的真實(shí)值，選D。

例2 用伏安法測(cè)定一個(gè)阻值約為5 Ω左右的電阻，現(xiàn)備有下列器材：

A.電源（3V，內(nèi)阻約1Ω ）

B.電流表（0～3A，內(nèi)阻約0.0125Ω ）

C.電流表（0～0.6A，內(nèi)阻約0.125Ω ）

D.電壓表（0～3V，內(nèi)阻約3kΩ ）

E.電壓表（0～15V，內(nèi)阻約15kΩ ）

F.滑動(dòng)變阻器（0～20Ω，額定電流1A）

G.滑動(dòng)變阻器（0～2kΩ，額定電流0.3A）

H.電鍵、導(dǎo)線

要求測(cè)量結(jié)果盡量準(zhǔn)確，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路原理圖。

分析：設(shè)計(jì)構(gòu)思的程序見(jiàn)圖5.

審題：電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器均給出兩個(gè)，按照上述程序應(yīng)該從中選擇合適的器材。

原理圖一般分為兩部分，首先考慮測(cè)量電路部分，然后考慮控制電路部分。

第一步，通過(guò)估算最大電流來(lái)確定電流表的規(guī)格（此時(shí)電壓取最大，滑動(dòng)變阻器阻值取零）

Im= ≈ A=0.6A， 注意安全性原則和精確性原則電流表選C。

第二步，根據(jù)電源電壓為3V，注意安全性和精確性原則，電壓表選D。

第三步，根據(jù)待測(cè)電阻RX、電壓表內(nèi)阻RV、電流表內(nèi)阻RA三者的近似值，通過(guò)比較確定電流表的位置。由于 = < = ，注意精確性原則，電流表采用外接法。

第四步，選擇滑動(dòng)變阻器，注意安全、精確、簡(jiǎn)便的原則， 滑動(dòng)變阻器F為20Ω是Rx的4倍，用作限流能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，故取F項(xiàng)。由于變阻器G的額定電流0.3A小于0.6A，不安全而不能選用。若電流控制在0.3A之內(nèi)，也不會(huì)選擇它。因?yàn)镚阻值過(guò)大， 2000歐內(nèi)只有十歐左右被使用， 實(shí)際可使用部分較短，操作不方便。

第五步，根據(jù)簡(jiǎn)便性和節(jié)能性原則采用滑動(dòng)變阻器限流式接法。

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6所示。

例3 為了測(cè)量一個(gè)待測(cè)電阻R1（阻值約100Ω），備有器材：電流表A1（量程250mA，內(nèi)阻r1=5歐）， 標(biāo)準(zhǔn)電流表A2（量程300 mA，內(nèi)阻r2約5歐）滑動(dòng)變動(dòng)器R2（0～10 Ω），直流電源（電動(dòng)勢(shì)約10 V，內(nèi)阻約1 Ω ）單刀單擲開(kāi)關(guān)S、導(dǎo)線若干。

要求方法簡(jiǎn)捷且能測(cè)出多組數(shù)據(jù)，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路原理圖并標(biāo)明器材代號(hào)。

分析與審題： 本題有兩個(gè)電流表、沒(méi)有電壓表、一個(gè)滑動(dòng)變阻器必須使用，按照上述例2中構(gòu)思程序圖，既然沒(méi)有電壓表直接測(cè)出電壓，就必須設(shè)法計(jì)算出待測(cè)電阻的兩端電壓，為此必須要有定值電阻。

再看題中電流表A1內(nèi)阻r1=5歐是定值電阻，結(jié)合量程250mA可以算出它兩端能夠承受的電壓為1.25V，于是想到電流表A1當(dāng)電壓表使用，可把電流表A1與待測(cè)電阻并聯(lián)，算出待測(cè)電阻的電壓。而標(biāo)準(zhǔn)電流表A2的量程300 mA>250mA， 因此可以測(cè)出總電流，從而得出待測(cè)電阻的電流。由于標(biāo)準(zhǔn)電流表A2的內(nèi)阻是不可靠的大約值，所以它不能當(dāng)電壓表用來(lái)算電壓，也不能直接與待測(cè)電阻串聯(lián)。

由于本題的電源電動(dòng)勢(shì)較大，根據(jù)安全性原則、待測(cè)電阻大小與滑動(dòng)變阻器阻值范圍的比較以及實(shí)驗(yàn)的要求，控制電路要采用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖7所示。

例4 現(xiàn)要測(cè)量一電流表

A的內(nèi)阻，給定器材有：

A.待測(cè)電流表A（量程300μA，內(nèi)阻r，約為100Ω）；

B.電壓表V（量程3V，內(nèi)阻r2=1kΩ）；

C.直流電源E（電動(dòng)勢(shì)4V，內(nèi)阻不計(jì)）；

D.定值電阻R1=10Ω；

E.滑動(dòng)變阻器R2（0-20Ω）；

F.開(kāi)關(guān)S一個(gè)、導(dǎo)線若干。

要求測(cè)量時(shí)兩塊電表指針的偏轉(zhuǎn)均超過(guò)其量程的一半，畫(huà)出測(cè)量電路原理圖；

分析：設(shè)計(jì)構(gòu)思的程序見(jiàn)圖8。

審題： 從待測(cè)電流表A的量程為300μA，內(nèi)阻r1約為100Ω，可以得出它對(duì)應(yīng)的壓約為0.03V，從電壓表V的量程為3V，內(nèi)阻r2=1KΩ，得出電壓表可以通過(guò)的最大電流為3000μA。

題中雖然有電壓表，但是量程為3V遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.03V，顯然不適合讓電流表與電壓表直接并聯(lián)，按上述程序圖要想辦法計(jì)算出電流表兩端的電壓，題中有個(gè)定值電阻R1，可以把定值電阻與待測(cè)電流表并聯(lián)，接下來(lái)要知道通過(guò)定值電阻的電流，那么必須確定它們的總電流。再看電壓表可以通過(guò)的最大電流為3000μA，于是想到電壓表當(dāng)電流表測(cè)總電流，當(dāng)待測(cè)電流表中電流為200μA時(shí)，定值電阻中電流為2000μA，電壓表中電流為2200μA，滿足測(cè)量時(shí)兩塊電表指針的偏轉(zhuǎn)均超過(guò)其量程的一半的題目要求。

根據(jù)安全性原則滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法。

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖9所示。

4.結(jié)論

電學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題千變?nèi)f化，層出不窮，但是并非“深不可測(cè)”，它們來(lái)源于教材，又不拘泥于教材。只要大家在學(xué)習(xí)中掌握基本原理、基本規(guī)律、基本方法，學(xué)會(huì)對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變換、引申、拓展，那么做題時(shí)的思路會(huì)更加通暢和開(kāi)闊，設(shè)計(jì)的應(yīng)變能力和創(chuàng)新能力也會(huì)不斷提高，從而在考試中快速、準(zhǔn)確、完整地解答實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉炳展.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具[M].上海教育出版社，2000.

[2]楊斌文，龍帥.伏安法測(cè)量電阻問(wèn)題的研討[J].上海計(jì)量測(cè)試，2009（6）.