秦正波

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，在電學(xué)實驗中惠斯通電橋和交流電橋?qū)嶒炇莾蓚€典型的基礎(chǔ)物理實驗。其中惠斯通電橋可用來測量中高阻值電阻，其測量范圍通常為10～106歐姆，該方法具有測量精度高，穩(wěn)定性能好和操作簡便等優(yōu)點，在電阻、電容、電感、長度、溫度、液位和壓力等方面應(yīng)用廣泛[1-5]。在大學(xué)物理實驗中一般采用自組惠斯通電橋測電阻，讓學(xué)生系統(tǒng)地進行原理學(xué)習(xí)、電路設(shè)計和實驗研究，被列為最重要的基礎(chǔ)性電學(xué)實驗。

前人主要集中在電橋靈敏度的提高和誤差分析等方面進行了研究[6-8]，對實驗電路本身的組建過程的教學(xué)效果鮮有討論，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對實際電路的結(jié)構(gòu)理解和動手組建電路的能力的培養(yǎng)。本文本著以培養(yǎng)學(xué)生電路的實際操作能力和電路設(shè)計方法為目標，通過引入電路設(shè)計中的兩點小技巧，讓學(xué)生熟知電路結(jié)構(gòu)并快速準確組建電路，以進行后續(xù)的實驗研究。教學(xué)實踐證明，學(xué)生組建電路主動性大大提高，建立電路的時間大大縮短，準確率大大提高(幾乎100%)。本教學(xué)實驗主要使用的方法有：電路模塊化，線色標識法和類比法，本實驗中所用方法可推廣到類似的實驗教學(xué)中。

1 原 理

惠斯通電橋原理如圖1所示。

圖1 惠斯通電橋

R1、R2、Rs和Rx構(gòu)成該電橋的四個橋臂，E為電源，在線路B、D之間接入靈敏檢流計G，用于指示電橋平衡。設(shè)定好R1和R2阻值，調(diào)節(jié)Rs使B、D之間電位相等，則檢流計G示數(shù)為0(即IG=0)，此時電橋達到平衡，滿足以下電壓電流條件：

UAB=UAD；UBC=UDC；Ix=Is；I1=I2

因此有：

IxRx=I1R1；IxRs=I1R2

上述兩式相除得到電橋平衡條件：

將上式改寫為

通常調(diào)節(jié)比例系數(shù)k值和Rs值使電橋平衡，即可根據(jù)上式求出待測電阻Rx。

2 組建電路

基于對原理的理解，在課堂中規(guī)定時間內(nèi)完成自組惠斯通電橋測電阻實驗，電路組建方法尤其重要。通過仔細分析電路結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生有意識地學(xué)會電路分層并準確快速組建好電路。具體教學(xué)方案如下：類似于復(fù)雜電路的模塊化設(shè)計方法，我們可將該電路及類似橋式電路拆分為三個獨立的模塊：(1)電源模塊I；(2)電橋模塊Ⅱ和(3)電橋平衡檢測模塊Ⅲ。對每個獨立的電路模塊學(xué)生幾乎都能100%準確完成，組建各獨立模塊示意圖如圖2(a)～(c)所示。

圖2 惠斯通電橋模塊化示意圖

接下來的電路連接問題大都出現(xiàn)在線路A、B、C和D的尋找和識別方面，如何準確地把模塊I和III接入模塊Ⅱ中，不少學(xué)生由于錯誤辨別這A、B、C和D這四個線路常常導(dǎo)致連接錯誤。為了更加快捷便利地識別各模塊，我們采用線色標識的方法將電路中各個關(guān)鍵點標識。例如圖2(a)所示，電源模塊用綠色線連接標識，圖2(b)中電橋2對對角橋臂電阻各用一對紅色線和一對藍色線連接標識，圖2(c)中檢流計兩端用一對黑色線連接標識。

圖3 實際電路連接示意圖

接下來仔細觀察圖2(b)電路連接線顏色可知，電源模塊I只需連接電橋模塊Ⅱ上的一對藍色線，無須仔細辨認A點和C點。同理，檢流計即檢測模塊Ⅲ連接電橋模塊Ⅱ上的一對紅色線(無須辨認B點和D點)。完整電路連接示意圖如圖3所示。通過引入電路模塊分層法和線色標識法，實踐證明每一個學(xué)生皆能準確理解實際的電路結(jié)構(gòu)并能快速準確地建好該類橋式電路，5 min內(nèi)組建電路準確性幾乎達100%，為課堂的進一步教學(xué)研究和探索性實驗節(jié)約了大部分的時間，更為重要的是提高了學(xué)生的實際動手能力，探索實驗研究的主動性，積極性，利于樹立學(xué)生對實驗?zāi)芰Φ淖孕判摹?/p>

3 拓 展

對于交流電橋，以典型的電容電橋和電感電橋為例，采用電路模塊化分層法和線色標識法，具體的建議電路的結(jié)構(gòu)圖如圖4(a)～(b)所示。其中可調(diào)橋臂R2和C2或者R2和L2可認為是一個模塊，圖中虛線框所標記，該模塊內(nèi)部單獨用另外一根顏色的線連接(圖中黃色線所示)，不易跟外部線混淆導(dǎo)致連接錯誤。其他模塊化分層和線色標識方法與惠斯通電橋連接線路一致。

(a) 電容電橋

(b) 電感電橋圖4 電容電橋和電感電橋電路連接示意圖

4 結(jié) 語

在惠斯通電橋和交流電橋?qū)嶒炦^程中，通過引入復(fù)雜電路的模塊化設(shè)計方法和線色標識方法，讓學(xué)生清楚地理解實際的電路結(jié)構(gòu)并快速準確組建電路，教學(xué)效果顯著。更為重要的是加深了學(xué)生對電路結(jié)構(gòu)原理的理解和認識，提高了他們對實際電路的操作能力，對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)具有非常重要的作用。