论文部分内容阅读
电路设计具有培养和检查学生创造性思维能力、分析综合能力以及实验能力等多方面能力的特点。近几年电学实验在历年的高考中既是重点，也是难点。而在绝大多数实验中，都会涉及到伏安法，不同的实验对于伏安法的要求不一样，因此伏安法电路设计问题便成了电学实验的重点和难点。用伏安法电路测量电阻Rx、电阻率ρ、电功率P和电源电动势ε、内阻r，是高中物理实验中的重要内容。由于该实验中制约因素多，思维头绪杂乱，在高考中这类题目的得分率总是很低。因此，寻找简明的设计思路，快速而有效地作出解答，是一个值得探讨的问题。
结合实际，我在教学中概括出三点设计思路：一、先确定测量电路，后确定控制电路。二、依量程选仪器，据阻值定结构。三、注意仪器配置，便于实际操作。
一、先确定测量电路，后确定控制电路
被测电阻Rx是整个实验的中心。因此选择仪器及电路设计要以被测电阻Rx的阻值、额定电流和额定电压为前提。再就是电源和控制电路的配合使用，能够给被测电阻提供电能，并保证安全和足够的调节范围。因此，应该先确定测量电路，然后确定控制电路和电源。
（1）测量电路有两种，即安培表内接法和外接法。由于所用电压表和电流表都不是理想电表，即电压表的内阻并非趋近无穷大，电流表也在内阻，因此实验测量出的电阻值与真实值不同，存在误差。为了减少测量过程中的系统误差，通常伏安法测电阻的电路有两个基本连接方法：那么对内接法和外接法该如何选择呢？下面从误差入手进行分析。
外接法：
在右图的外接法中，考虑电表内阻的存在，则电压表的测量值U为R两端的电压，电流表的测量值为干路电流，即流过待测电阻的电流与流过电压表的电流之和，此时测得的电阻为R与Rv的并联总电阻，即： 内接法：
在右图的内接法中，电流表的测量值为流过待测电阻和电流表的电流，电压表的测量值为待测电阻两端的电压与电流表两端的电压之和，即：
> （电阻的真实值）此时给测量带来的系统误差主要来源于RA的分压作用，其相对误差为：
（2）控制电路也有两种，即限流式和分压式为了减小系统误差，保护仪器，节能、需要正确选择滑动变阻器的接法。变阻器控制电路有限流电路和分压电路两种接法，其功能分别为限流和分压。
如右图所示电路中，变阻器起限流作用，变阻器电阻调到最大时，电路中仍有电流，电路中电流的变化范围为 到 ，其中E为电源电动势（电源内阻不计），R为滑动变阻器的最大电阻。待测电阻RX两端电压调节的范围为 到E。如果RX》R，电流变化范围小，变阻器起不到变阻作用，此时采用该接法就不能满足多次测量的要求。一般来说，以下三种情况采用分压接法。
1）电路中最小电流仍超过电流表最大量程或超过待测元件的额定电流；2）要求待测电阻的电压、电流从零开始调节；3）待测电阻值远大于变阻器的全部电阻。
如右图所示电路中，变阻器起分压作用。待测电阻RX两端电压的变化范围是0到E（电源电动势，不计电源内阻），电压调节范围比限流接法大。但是当通过待测电阻RX的电流一定时，分压法干路电流大于限流法干路电流。因此分压法电路消耗的功率较大。分压电路好处是：电压可以从0开始调节。
二、依量程选仪器，据阻值定结构
电流表和电压表是电学实验中两种最基本最重要的测量仪表，所以掌握电流表和电压表的使用方法是十分必要的。
表盘上标有字母“A”或“mA”字样，该表就是测量电流强度的电流表。表盘上标有字母“V”字样，该表是测量电压的电压表。
在接入电路时，电压表必须并联在待测电路的两端，注意正负极不能接反。使用电流表的时候，千万不能直接接到电源的两极上，以免电流过大烧坏电流表。
电流表和伏特表均有三个接线柱，根据所需选择合适的接线柱，比如电流表接在“+”和“0.6”两个接线柱上，则量程为0.6A；电压表接在“+”和“15”两个接线柱，则量程为15V。在实验前，应先估计电路的电流强度和电压值，如果估计电流小于0.6A，则选择0～0.6A量程，如果估计电流大于0.6A就选0～3A量程；若不能估计，可采用试触法进行判断，选用适当的量程。
直流电压表和电流表由于受到仪器精确度的限制，也给测量结果造成了误差，因此必须根据测量要求选择合适的仪表。
三 、注意仪器配置，便于实际操作
当采用电流表内接法时，测量值大于真实值，即“内大”；当采用电流表外接法时，测量值小于真实值，即“外小”。
由此可对内、外接法的选择作如下判断：
当 时，内接法和外接法测电阻的相对误差相等；
当 时，采用内接法测电阻产生的误差较小；
当 时，采用上接法测电阻产生的误差较小。
结合公式对内外接法的判断，可总结为八个字：“大内偏大、小外偏小”
对于滑动变阻器的选择，主要是注意调节灵敏，不超过最大额定电流，对于滑动变阻器的选择可以简化为“有小阻值的不选大阻值得”。当然无论是限流式还是分压式，都要保证滑动变阻器阻值在调节整个电路的电压和电流时，起到“控制”作用，使测量电路的总阻值对主电路影响相对较小。从安全性考虑，分压电路电压可从零调起。从节能角度考虑，应该首选限流式接法。
综上所述，电学实验中，对伏安法测电阻的电路设计，我们必须掌握以上几个基本步骤，才能保证实验的顺利进行，误差也能降低到最小。当然，电路设计的方法还有很多种，如近几年高考题中出现的，借助两块电压表测电阻（伏伏法）、借助两块电流表测电阻（安安法）还有替代法、中值电阻法等方法。可见，电路的设计需要我们对物理知识进一步深化理解，创新我们的实验思维。这就要求我们高中物理老师在教学中不但要教会学生对电路设计的基本思路，更要培养学生创新实验电路设计的思维。
结合实际，我在教学中概括出三点设计思路：一、先确定测量电路，后确定控制电路。二、依量程选仪器，据阻值定结构。三、注意仪器配置，便于实际操作。
一、先确定测量电路，后确定控制电路
被测电阻Rx是整个实验的中心。因此选择仪器及电路设计要以被测电阻Rx的阻值、额定电流和额定电压为前提。再就是电源和控制电路的配合使用，能够给被测电阻提供电能，并保证安全和足够的调节范围。因此，应该先确定测量电路，然后确定控制电路和电源。
（1）测量电路有两种，即安培表内接法和外接法。由于所用电压表和电流表都不是理想电表，即电压表的内阻并非趋近无穷大，电流表也在内阻，因此实验测量出的电阻值与真实值不同，存在误差。为了减少测量过程中的系统误差，通常伏安法测电阻的电路有两个基本连接方法：那么对内接法和外接法该如何选择呢？下面从误差入手进行分析。
外接法：
在右图的外接法中，考虑电表内阻的存在，则电压表的测量值U为R两端的电压，电流表的测量值为干路电流，即流过待测电阻的电流与流过电压表的电流之和，此时测得的电阻为R与Rv的并联总电阻，即：
在右图的内接法中，电流表的测量值为流过待测电阻和电流表的电流，电压表的测量值为待测电阻两端的电压与电流表两端的电压之和，即：
> （电阻的真实值）此时给测量带来的系统误差主要来源于RA的分压作用，其相对误差为：
（2）控制电路也有两种，即限流式和分压式为了减小系统误差，保护仪器，节能、需要正确选择滑动变阻器的接法。变阻器控制电路有限流电路和分压电路两种接法，其功能分别为限流和分压。
如右图所示电路中，变阻器起限流作用，变阻器电阻调到最大时，电路中仍有电流，电路中电流的变化范围为 到 ，其中E为电源电动势（电源内阻不计），R为滑动变阻器的最大电阻。待测电阻RX两端电压调节的范围为 到E。如果RX》R，电流变化范围小，变阻器起不到变阻作用，此时采用该接法就不能满足多次测量的要求。一般来说，以下三种情况采用分压接法。
1）电路中最小电流仍超过电流表最大量程或超过待测元件的额定电流；2）要求待测电阻的电压、电流从零开始调节；3）待测电阻值远大于变阻器的全部电阻。
如右图所示电路中，变阻器起分压作用。待测电阻RX两端电压的变化范围是0到E（电源电动势，不计电源内阻），电压调节范围比限流接法大。但是当通过待测电阻RX的电流一定时，分压法干路电流大于限流法干路电流。因此分压法电路消耗的功率较大。分压电路好处是：电压可以从0开始调节。
二、依量程选仪器，据阻值定结构
电流表和电压表是电学实验中两种最基本最重要的测量仪表，所以掌握电流表和电压表的使用方法是十分必要的。
表盘上标有字母“A”或“mA”字样，该表就是测量电流强度的电流表。表盘上标有字母“V”字样，该表是测量电压的电压表。
在接入电路时，电压表必须并联在待测电路的两端，注意正负极不能接反。使用电流表的时候，千万不能直接接到电源的两极上，以免电流过大烧坏电流表。
电流表和伏特表均有三个接线柱，根据所需选择合适的接线柱，比如电流表接在“+”和“0.6”两个接线柱上，则量程为0.6A；电压表接在“+”和“15”两个接线柱，则量程为15V。在实验前，应先估计电路的电流强度和电压值，如果估计电流小于0.6A，则选择0～0.6A量程，如果估计电流大于0.6A就选0～3A量程；若不能估计，可采用试触法进行判断，选用适当的量程。
直流电压表和电流表由于受到仪器精确度的限制，也给测量结果造成了误差，因此必须根据测量要求选择合适的仪表。
三 、注意仪器配置，便于实际操作
当采用电流表内接法时，测量值大于真实值，即“内大”；当采用电流表外接法时，测量值小于真实值，即“外小”。
由此可对内、外接法的选择作如下判断：
当 时，内接法和外接法测电阻的相对误差相等；
当 时，采用内接法测电阻产生的误差较小；
当 时，采用上接法测电阻产生的误差较小。
结合公式对内外接法的判断，可总结为八个字：“大内偏大、小外偏小”
对于滑动变阻器的选择，主要是注意调节灵敏，不超过最大额定电流，对于滑动变阻器的选择可以简化为“有小阻值的不选大阻值得”。当然无论是限流式还是分压式，都要保证滑动变阻器阻值在调节整个电路的电压和电流时，起到“控制”作用，使测量电路的总阻值对主电路影响相对较小。从安全性考虑，分压电路电压可从零调起。从节能角度考虑，应该首选限流式接法。
综上所述，电学实验中，对伏安法测电阻的电路设计，我们必须掌握以上几个基本步骤，才能保证实验的顺利进行，误差也能降低到最小。当然，电路设计的方法还有很多种，如近几年高考题中出现的，借助两块电压表测电阻（伏伏法）、借助两块电流表测电阻（安安法）还有替代法、中值电阻法等方法。可见，电路的设计需要我们对物理知识进一步深化理解，创新我们的实验思维。这就要求我们高中物理老师在教学中不但要教会学生对电路设计的基本思路，更要培养学生创新实验电路设计的思维。