关于高考理综（物理）电学实验中的选择问题，本文主要内容关键词为：电学论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
历年来，全国高考物理试题中的电学实验试题频频出现，主要考查了实验方法的选择、仪器的选择、电流表的内、外接法的选择，滑动变阻器的限流、分压电路的选择，这几个选择一直是中学物理实验教学的重点和难点，当然也是高三物理复习的重点。
一、电流表内、外接法的选择
由于实验中使用的电流表的内阻不是零，电压表内阻不是无穷大，不管采用电流表内接法（图1-甲）还是外接法（图1-乙），分别会因为电流表的分压作用、电压表的分流作用而引起误差。
内接法的误差来源于电流表的分压作用：
被测电阻测量值R[，X]=U[，V]/I[，A]=（U[，X]+U[，A]）/I[，A]，被测电阻真实值R[，X]=U[，X]/I[，X]，由此使得R[，测]＞R[，真]，而且分担的电压与电流表的内阻成正比。只有当R[，A]
R[，X]，电流表的分压作用才很小，才有U[，V]≈U[，X]，R[，测]≈R[，真]。
外接法的误差来源于电压表的分流作用：
被测电阻测量值R[，X]=U[，V]/I[，A]=U[，X]/（I[，X]+I[，V]），被测电阻真实值R[，X]=U[，X]/I[，X]，由此使得R[，测]＜R[，真]，而且分得的电流与电压表的内阻成反比。只有当R[，V]
R[，X]，电流表的分压作用才很小，才有I[，V]≈I[，X]，R[，测]≈R[，真]。
因此，究竟采用电流表的内接法还是外接法，可以根据下面的分析作出判断：
（1）当被测电阻R[，X]较小时一般采用外接法，R[，X]较大时则应采用内接法；（2）R[，V]R[，X]时，应采用外接法；当R[，X]R[，A]时，应采用内接法；（3）当R[，V]/R[，X]=R[，X]/R[，A]时，电压表分流作用和电流表分压作用一样大，因此，既可选择内接法也可选择外接法；当R[，V]/R[，X]＞R[，X]/R[，A]时，电流表分压作用比电压表分流作用大，应选择外接法；当R[，V]/R[，X]＜R[，X]/R[，A]时，电压表分流作用比安培表分压作用大，应选择内接法；（4）当R[，V]，R[，A]的大小均不知的情况下，可以用试触法判断：通过改变电流表的连接方式，看电流表、电压表的大小确定正确的接法。
二、滑动变阻器分压式与限流式接法的选择
滑动变阻器在电路中有两种连接方式，如图2-甲是滑动变阻器的限流式接法，图2-乙是滑动变阻器的分压式接法，两种电路的比较如表1：
表1 两种电路的性能差异比较
两者对比可以看出，分压电路调节范围大，细调程度均匀，但限流电路连线简单，功率损耗小，它们各有所长，应根据需要选用。
常用的选择方法：
①负载电阻的阻值及R[，X]远大于变阻器的总电阻R[，0]，须用分压式电路；
②要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调，须用分压式电路；
③若采用限流接法时，电路中的最小电流大于或等于被测电阻的额定电流，则必须采用分压式电路；
④两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法；负载电阻的阻值R[，X]小于变阻器总电阻R[，0]或相差不多，且电压电，流变化不要求从零调起时，可采用限流接法，因为限流接法总功耗较小；
⑤特殊问题中还要根据电压表和电流表量程以及电阻允许通过的最大电流值来反复推敲，以能减小误差的连接方式为好。
三、实验器材的选择
实验中有时提供的电源、电流表、电压表、滑动变阻器等均有多种规格，实验中选用什么规格的仪表、器材，实验前要做出判断。实验器材的选择一般应根据实验原理，把握住“安全、精确、方便”的原则。
“安全”是指选用的实验器件能保证实验安全正常进行。如：线路中的限流电阻必须确保电流不能超过允许值，通过电流表的电流或加在电压表上的电压均不超过最大量程，通过电源、滑动变阻器的电流不能超过额定值。
“精确”是指所选用的实验器材要考虑，尽可能减小实验误差。如：①在实验原理中有的不考虑电源内阻和电流表内阻的影响，不考虑电压表的分流作用，此时，选用的电源、电流表的内阻必须较小，电压表的内阻必须较大；②使用电流表、电压表时，要在保证不超过最大量程的前提下，尽可能地选用使指针偏转接近满刻度的量程，欧姆表要选用使指针尽可能在中间刻度附近的倍率挡位。
“方便”是指选用的实验器材要便于操作。如：在使用滑动变阻器时，不能仅仅考虑其额定电流满足要求，还要考虑接入电路中的滑动变阻器能有效地、灵便地调节被测电路中的电流和电压，让电流、电压的变化尽可能均匀，呈线性变化，使之既便于操作、又有效地减小实验误差。对于那种高阻值的滑动变阻器，如果在实际使用中只用到其中的很少一部分线圈，就不宜采用。
对器材选择的一般步骤是：
（1）选出惟一性器材。
（2）草画电路图（暂不接入电流表、电压表）。
（3）估算电流和电压的最大值，在考虑电表指针有较大偏转但不超量程的情况下，结合已知实验器材的规格，确定实验电路和其它实验器材。
四、实验方法的选择
在电学实验中，“电阻的测量”实验又是考查重点，可以是测量未知定值电阻的阻值，测电流表、电压表的内阻，电源的内阻等。用到的基本方法通常有伏安法、半偏法和替代法。选用什么方法往往要根据题中提供的器材综合选择。下面以测电流表A的内阻R[，A]为例来探讨。
（1）若提供电压表，则可以采用如图3所示的电路，调节变阻器，使电流表A指针满偏Ig，此时电压表读数为Ug，可得
R[，A]=Ug/Ig
（2）若提供电流表和电阻箱R[，1]，则可以采用图4所示的电路，测得电流表A与电流表A′的读数为I[，A]与I[，A]′，可得
R[，A]=（I[，A]′-I[，A]）R[，1]/I[，A]
（此法2001年全国高考理科综合卷第29题用到）
（3）若提供内阻R[，1]已知的电流表A[，1]，则可以采用图5所示的电路，同时测得电流表A的读数为I[，A]，电流表A[，1]的读数为I[，1]，可得
R[，A]=I[，1]R[，1]/I[，A]
（此法2000年全国高考卷第16题用到）
以上实验方法从实验原理上讲都是伏安法测电阻。
（4）若提供电阻箱和电阻很大的滑动变阻器R[，1]（R[，1]R[，2]），则可以采用图6所示的电路，闭合S[，1]，断开S[，2]，调节R[，1]，使电流表读数等于其量程I[，0]，保持R[，1]不变，闭合S[，2]，调节R[，2]，使电流表读数等于I[，0]/2，可得：R[，A]≈R[，2]。
（2001年全国高考卷第15题用到）
（5）若提供电阻箱和电阻很小的滑动变阻器R[，0]（R[，A]R[，0]），闭合开关S，调节R[，0]的值，使电流表指针满偏Ig，记下此时电阻箱的值R[，1]，有
U[，AB]=Ig（R[，1]+R[，A]）①
然后保持R[，0]的触点不动，调节R使电流表指针半偏，此时电阻限制的阻值为R[，2]，有
U[，AB]=（R[，2]+R[，A]）Ig/2②
由①②式得：R[，A]≈R[，2]-2R[，1]
以上两种实验方法是采用了半偏法测电阻。
（6）替代法：如图8，用电流表监测，S为单刀双掷开关，S扳到1，读出电流表上读数I[，A]，再把S扳到2，调节变阻箱R的值，使得电流表A[，1]的读数仍为I[，A]，此时电阻箱读数为R。由此得：R[，A]=R。
或者用电压表监测，如图9，S扳向1，读出电压表V上读数U[，A]，再把S扳向2，调节变阻箱R的值，使得电压表V上的读数仍为U[，A]，此时电阻箱读数为R。由此得：R[，A]=R。
例1 （1997年高考第17题）某电压表的内阻在20kΩ-50kΩ之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材：
待测电压表V（量程3V）；
电流表A[，1]（量程200μA）；
电流表A[，2]（量程5mA）；
电流表A[，3]（量程0.6A）；
滑动变阻器R（最大阻值1kΩ）；
电源ε（电动势4V）；
电键S。
（1）所提供的电流表中，应选用_____。
（2）为了尽量减小误差，要求测多组数据。试在方框中画出符合要求的实验电路。
[解析] 由于电源电动势ε=4V，电压表内阻最大50kΩ，故电流最小值l=ε/R[，r]=80μA，A[，2]，A[，3]量程都太大，故选A[，1]，由于R[，V]在20kΩ～50kΩ之间，远大于滑动变阻器的阻值1kΩ，而且要求能测多组数据，故应连成分压电路。如图10所示。
图10
例2 测一个阻值约为25kΩ的电阻，备有下列器材：
A.电流表（量程100μA，内阻2kΩ）；
B.电流表（量程500μA，内阻300Ω）；
C.电压表（量程10V，内阻100kΩ）；
D.电压表（量程50V，内阻500kΩ）；
E.直流稳压电源（电动势15V，允许最大电流1A）；
F.滑动变阻器（最大电阻1kΩ，额定功率1W）；
G.导线若干。
①电流表应选_______，电压表应选_______。②画出测量R[，X]的原理图。
[解析] ①本题中由于电压表C的量程小于电源电动势，而且其内阻也比电压表D的内阻小，所以容易选择D。实际上上述两个因素都可以通过选择恰当的电路加以解决，首先应考虑的是电压表D的量程远大于电源电动势，在测量时电压表的实际读数最大也达不到量程的1/3，所以选择D不恰当。而如果我们采用变阻器的分压接法和电流表的内接法（因为R[，A]R[，X]）选择电压表C就比较恰当，既不会烧坏表，也不会引起较大误差。再根据I[，m]=U[，m]/R[，X]，求得最大电流为4×10[-4]A，电流表应选择B。②原理图如图11所示。
图11