实验电路设计，本文主要内容关键词为：电路设计论文，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。
设计实验电路，是中学物理实验的重要内容，物理实验中的电路设计，通常由以下几个环节组成。
一、实验原理的确定
电路设计通常是从探寻实验原理开始的。实验原理既包括实验所探索的原理和设想，也包括实验仪器、设备、装置等所应用的科学原理，它是实验电路设计的出发点，也是贯穿整个实验活动的主线。
例如，为了用实验测定某一物理量，人们往往在与这一物理量直接相关的物理规律和公式中进行搜索，寻找切实可行的规律公式作为设计这一实验的理论依据。这就是探寻和确定实验原理的过程。
例1（1996年上海高考题）图1所示，P 是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管（其长度L为50厘米左右，直径D为10厘米左右），镀膜材料的电阻率ρ已知，管的两端有导电箍MN，现给你米尺、伏特计V、安培计A、电源ε、滑动变阻器R、电键K和若干导线。请设计一个测定膜层厚度d的实验方案。
该实验的设计过程，可由下图表示。
二、实验电路的构思
中学物理实验中最常用的电路，是以伏特表、安培表为主要测量元件的伏安电路。这种电路的主要功能是用以测定电阻R、电阻率ρ、电动势ε和内阻r等物理量的数值。
从电路的结构上看，伏安电路由三部分组成：一是动力源，它就是电路中的电源；二是测量电路，它由被测元件、测量仪器（伏特表、安培表）组成；三是控制电路，它由电键、变阻器等控制元件组成。
构思设计这一实验电路应遵循安全、精确、经济、方便的原则，在利用现有实验器材的条件下，尽可能减小实验系统误差，增强实验的精确程度，以满足实验目的所提出的要求。
电路设计的一般程序应是先确定测量电路，再确定控制电路，最后确定动力源。
现在，让我们对伏安电路的构思设计作如下的讨论。
1.确定测量电路
我们知道，伏安法测量电路，有内接法和外接法两种连接形式。这两种连接方法对测量的影响，可由下述图表显示。
测量电路的确定，其关键是“内接”与“外接”的选定。其选择的方法，大致上可分以下两种情况进行。
明安培表有明显的分压作用，这时应采用外接法。
例3 某同学用伏安法测未知电阻值，他采用如图3所示的方法，先把伏特表接在b点
2.确定控制电路
控制电路的主要工作元件是滑动变阻器。在伏安电路中，滑动变阻器通常有如下两种连接方法：图4（A）所示为限流连接形式，在这一连接形式中测量电路与变阻器成串联关系；图4（B）所示为分压连接形式，在这一连接方法中，测量电路与变阻器成并联关系。
在电路设计中，控制电路到底采用何种变阻器的连接形式，要由电路的“控制”要求而定。为此，我们先对两种不同的连接形式对电路的控制情况，作一初略比较。
这两种连接方式的比较可由下述图表显示。
说明：通常在能够满足电路中电流或电压的调节范围，并且不超过测量电表的量程及电路中各元件允许通过的最大电流的情况下，由于限流电路能耗较小，结构简单，因此在进行电路设计时总是优先考虑运用限流连接方法。因此，中学课本中的各种学生实验和演示实验基本上都采用了限流连接方法。然而，以下三种情况下必须选择分压连接。
①实验电路“控制要求”必须使电流或电压从零开始连续可调。
例4 为了测定一个“6V 3W”小电珠在不同电压下的实际功率，所需的器材有电流表（量程0－0.6－3安，电阻可忽略）， 电压表（量程0－3－15伏，电阻几千欧），滑动变阻器（阻值0－10欧）， 电源（输出电压8伏，内阻1欧），同时还备有电键及导线若干。测量时要求电珠两端的电压能从0伏开始连续调至额定电压，以测得多组数据， 请按要求设计实验电路图。
解：由于电流表内阻可以忽略，因此测量电路应采用内接法连接。又因为电路设计要求电珠两端的电压能从0伏开始连续调至额定电压， 因此控制电路应采用滑动变阻器的分压连接方法。
综合以上分析，设计电路如图5所示。
②采用限流连接方法时，在电流的调节范围内，实际电流值均超过电路所允许通过的最大电流值，则必须采用分压电路连接。如
例5 （1994年高考题）图6所示为用伏安法测量某定值电阻阻值的实验所需器材的实物图。器材规格如下：
A.直流毫安表（量程0－10毫安，内阻50欧）；
B.直流电压表，（量程0－3伏，内阻5千欧）；
C.直流电源（输出电压4伏，内阻不计）；
D.滑线变阻器（阻值范围0－15欧，允许最大电流1安）；
E.电键1个，导线若干。
根据器材的规格和实验要求，在本题的实物图上连线。
解：在对实物进行连线之前，先对这一实验电路进行必要的构思设计。
流在24.2毫安和26.7毫安之间变化。这样，即使变阻器取最大值，电路上的电流也超过了毫安表的量程，因此，必须采用分压连接。
根据以上分析，可构思设计出电路图如图7所示，最后根据设计， 对实物进行如图6虚线所示的连线。
③如果变阻器的阻值远小于被测电阻R[,X]的电阻值， 若采用限流连接方法，电流或电压的变化范围太小，不能满足多次测量取平均值或用图象处理数据的要求，这时也应采用分压连接方法。如
例6 （1997年高考题）某电压表的内阻在20千欧～50千欧之间， 要测量其内阻，现提供下列器材：
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（最大电阻1KΩ）；电源ε（电动势4V）；电键K。
为了尽量减小误差，要求测多组数据，请设计实验电路。
解：该题电压表本身的电阻就是被测量的对象，因此可以将电压表和电流表串联在一起进行测量，这时电流表的读数即为通过电压表内阻的电流，电压表的读数即为电压表本身内阻两端的电压值。
根据该题所提供的数据，被测电压表的电流值大约在0～150μA， 从提高测量精度的要求出发，我们选择电流表A[,1] 来测量电路中的电流。
下面，让我们来确定控制电路中变阻器的连接方法：由于电路所给的变阻器电阻远小于被测电阻，假如采用限流连接方法，由理论计算可知，若取R[,X]＝20KΩ，电路中的电流只能在0.14mA和0.15mA很小的范围内调节，无法满足测多组数据的要求。因此必须采用分压连接方法。因而实验电路应如图8所示。
三、实验器材的选择
选择实验电路的器材应遵循以下原则。
1.安全性原则
所谓安全性原则，是指实验中各电流表或电压表在测量时不能超过表的量程，通过电源内部或其它元件的电流不能超过其允许的最大电流值。
2.精确性原则
精确性原则是指在选择实验器材时要有利于减小测量误差，提高实验的准确性。比如，一般要求选择内阻较大的电压表和内阻较小的电流表。为了减小电表的读数误差，通常要求各电表的指针的偏角不小于其量程的1/3。为了能够满足测量多组数据的要求，还应使电表读数在较大范围内可调。对于欧姆表来说，其表盘刻度是非均匀的，高阻值区域的刻度密集，电阻值不易读准确，而接近零欧姆处虽然刻度稀，读数误差小，但乘上相应的高倍率，误差同样会变大。因此，宜选用指针尽可能在中心刻度附近的倍率档位。
3.经济性原则
经济性原则要求，在保证安全可靠的前提下，减小额外的电能耗。例如在选择电源时，如果电源电动势比电路的额定电压大许多，从理论上说可以采用串联分压的方法来满足测量电压的要求，但从经济节能原则来看是不可取的。又比如，在选择变阻器时，如果实验时只用到变阻器的很小一部分线圈，这样的变阻器既不经济也不方便，应考虑更换更合适的变阻器。
例7 用伏安法测量R[,X]的阻值，现有实验器材如下：
A.待测电阻R[,X]：范围在5～8Ω，额定功率1W；
B.安培表A[,1]：量程0～0.6A，内阻0.2Ω
C.安培表A[,2]：量程0～3A，内阻0.05Ω；
D.伏特表V[,1]：量程0～3V，内阻3KΩ；
E.伏特表V[,2]：量程0～15V，内阻15KΩ；
F.滑动变阻器R：0～100Ω；
G.蓄电池ε[,1]：电动势12V；
H.蓄电池ε[,2]：电动势6V；
L.电键1个，导线若干。
为了较准确地测量，并保证器材安全，请选出所需的安培表、伏特表与电源，并画出实验电路图。
解：选择电路器材，通常是从研究被测量对象开始的。一般可先根据已有的条件，粗略地估算出测量对象两端的最大电压U[,m] 选择电源ε和伏特表V，以I[,m]选择安培表A， 以电路所要求的电流或电压的变化值ΔI和ΔU，选配恰当的变阻器。
又由于变阻器阻值远大于被测电阻值，控制电路若采用限流连接，可粗略计算出其电流最小值I[,m]＝0.1A，因而电路中的电流变化范围在0.1A～0.45A之间，已基本复盖安培表的1/3以上的偏角范围，因此，从精确性与经济性的角度考虑，可采用限流式连接。
综合以上分析，可得图9所示的电路设计。
