谈电学实验线路和器材的选择，本文主要内容关键词为：电学论文,器材论文,线路论文，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。
纵观历年高考试题，电学实验一直是高考的热点，从各省高考阅卷后对试题分析及评价报告反馈的信息来看，电学实验部分得分率很低，尤以实验线路和器材选择问题更为突出。因此，高考备考复习中应把电学实验线路和器材的选择问题确定为复习的重点和难点。下面对高中物理电学实验线路和器材选择的原则、方法进行一些总结。
一、伏安法测电阻实验中内接法与外接法的选择
所谓伏安法测电阻中的内、外接法是相对安培表而言，安培表紧挨待测电阻接在里面的接法叫内接法，如图1(a)所示，安培表接在外面的接法叫外接法，如图1(b)所示。由于安培表的内阻并不为零、伏特表的内阻并非无穷大，因此，无论哪种接法，都会给测量结果带来误差（见下表），但合理的选择内接法或外接法有利于减小误差。
例1、伏安法测一个阻值约为5欧左右的电阻，所用的安培表内阻约为0.1欧、伏特表内阻约为10千欧，为了减小误差，应采用内接法或是外接法？
解答：计算临界电阻
，则应选择外接法有利于减小误差。
2.若R[，X]、R[，A]、R[，V]的大小关系事先没有给定，可借助试触法确定内、外接法。具体做法是：如图2所示组成电路，其中安培表事先已经接好，拿伏特表的一个接线柱去分别试触M、N两点，观察先后两次试触时两电表的示数变化情况，如果安培表的示数变化比伏特表示数变化明显（即
），说明接M点时伏特表分流作用引起的误差大于接N点时安培表分压作用引起的误差，这时应采用内接法（即伏特表接N点）；如果伏特表示数变化比安培表示数变化明显（即），说明接N点时安培表分压作用引起的误差大于接M点时伏特表分流作用引起的误差，这时应采用外接法（即伏特表接M点）。
例2、某同学用伏安法测一个未知电阻R[，X]的阻值，采用了图2的线路图，他先把伏特表接在N点，读得两表示数分别为U=3.0伏，I=3.0毫安，然后把伏特表改接在M点，读得两表示数分别为U′=2.9伏，I′=4.0毫安，由此可知伏特表应接到＿＿点误差较小，测得R[，X]值应为＿＿欧。
解答：两次接法中两表示数变化为△U=｜U′-U｜=0.1伏，△I=｜I′-I｜=1.0毫安，可见安培表示数变化（即△I/I=1/3）比伏特表示数变化（即△U/U=1/30）明显，为了减小误差应采用内接法，即伏特表接N点，测得R[，X]=U/I=1000欧。
二、滑动变阻器的限流接法与分压接法的选择
图3所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为R[，0]）对负载R[，L]的电压、电流强度都起控制调节作用，我们通常把图3(a)电路称为限流接法，图3(b)电路称为分压接法。虽然两种电路都能调节负载的电压或电流，但在相同条件下的调节效果不同（见下表），实际应用中要根据情况恰当地选择限流接法或分压接法。
1.通常情况下（指电路中电流或电压能达到要求的调节范围内且不超过测量电表量程、电流可调范围不超过电阻类元件或电源允许的最大电流等），由于限流电路能耗较小，结构连接简单，因此，优先考虑以限流接法为主（如课本上各种学生实验、演示实验都采用限流接法）。
2.在下面三种情况下必须要选择分压接法。
①要使某部分电路的电压或电流从零开始连续可调，只有分压电路才能满足。
例3（93年高考第26题） 将量程为100微安的电流表改装为量程1毫安的电流表，并用一标准电流表串联，对它进行校准。改装及校准所用器材如图4所示。其中标准电流表事先已与保护电阻串联，以防烧表。校准时要求通过电流表的电流从0连续调到1毫安。试按要求在实物图上连线。
解答：为了使电流“从0连续调到1毫安”，变阻器必须采用分压接法（具体连线略）。
②如果实验所提供的电压表、电流表量程或电阻元件允许最大电流较小，采用限流接法时，无论怎样调节、电路中实际电流（压）都会超过电表量程或电阻元件允许的最大电流，为了保护电表或电阻元件免受损坏，必须要采用分压接法电路。
例4（94年高考第25题） 图5为伏安法测一个定值电阻实验所需器材实物图，器材规格如下：待测电阻R[，X]（约100欧）、直流毫安表（量程0～10毫安、内阻50欧）、直流电压表（量程0～3伏、内阻5千欧）、直流电源（输出电压4伏、内阻不计）、滑动变阻器（阻值范围0～15欧、允许最大电流1安）、电键及导线若干。根据器材的规格和实验要求，在本题实物图上连线。
解答：首先确定安培表的内、外接法：计算临界电阻
欧，由于R[，X]＜R[，0]，故安培表应选择外接法。
然后确定滑动变阻器的分压、限流接法：假设采用限流接法，R[，X]上电流变化范围约在
（即24.2毫安～26.7毫安）之间。这样，即使变阻器取最大值，R[，X]上电流也超过了毫安表的量程，故变阻器只有采用分压接法。
最后连线（略）。
③伏安法测电阻实验中，若所用的变阻器阻值远小于待测电阻阻值，采用限流接法时，即使变阻器触头从一端滑至另一端，待测电阻上的电流（压）变化也很小，这不利于多次测量取平均值或用图象法处理数据。为了在变阻器阻值远小于待测电阻阻值的情况下能大范围地调节待测电阻上的电流（压），应选择变阻器的分压接法。
例5有一待测电阻R[，X]（阻值在40千欧左右），欲用伏安法测其阻值、所给器材有：电源（3伏、内阻不计）、电流表（100微安、5欧）、电压表（3伏、100千欧）、变阻器（0～20欧）、电键及导线。要求用图象法处理数据求R[，X]，画出电路图。
解答：临界电阻
，故安培表应内接。由于变阻器阻值很小，若限流接法，R[，X]上的电流（压）变化范围很小，不便描点作图，也不利于减小偶然误差，因此，变阻器应采用分压接法（实验电路见图6）。
三、实验器材的选择
在设计实验时，同一类器材的数量往往有多个，各个同类器材的规格不同，如1997年高考第17题所给出的电流表有三个（其量程不同），如何从中选出最合适的器材？
1.选择器材的原则
①安全原则 所谓安全原则，是指实验中各电流（压）表所测电流（压）不能超过电流（压）表的量程，通过电源内部或电阻类元件的电流不能超过其允许的最大电流。
②准确原则 准确原则是指实验中要尽可能地减小误差，提高准确性。为了减小因实验者等因素引起的偶然误差，一般要求各电表示数不小于其量程的
，若需测量多组数据，往往还要求电表示数能在大范围内可调，为了减小因实验用具等因素引起的系统误差，一般要求选择内阻较大的电压表和内阻较小的电流表。
③能耗少原则 指在实验过程中尽可能地减小额外电能损耗。
上述原则中，在综合考虑出现矛盾时，优先考虑安全因素，其次再考虑准确原则（准确原则中又以考虑减小偶然误差为主），至于能耗少原则通常考虑得较少。
当然，选择器材除了要遵循上述原则外，还要结合电路连接方式具体分析，如，控电路的变阻器的选择，在限流电路中应选择阻值与其它串联部分电阻阻值相近的，在分压电路中应选择额定电流值较大的。
2.选择器材的方法
①从给出数量最少的器材入手
例6（97年高考第17题）某电压表的内阻在20千欧～50千欧之间，现要测量其内阻，实验室提供下列供选用器材：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（最大值1KΩ）、电源ε（电动势4V）、电键K。
(1)所提供电流表中，应选用＿＿。
(2)为了尽量减小误差，要求测多组数据，试画出符合要求的电路图。
解答 (1)从伏特表入手，初步算出通过伏特表的电流约在0～150μA内，从安全角度考虑，三个电流表都可用，再从减小误差角度考虑，只能选电流表A1。
(2)结合电路选择知识，变阻器选用分压接法，电路见图7。
②从电压表、电流表和电源的配套要求入手
所谓“配套”指电流表或电压表中有一个读数接近量程时，另一个读数也接近量程，且伏特表的量程接近电源电动势，否则至少有一个电表示数太小，不利于减小误差。
例7 一阻值约为30KΩ的电阻R[，X]，欲用伏安法较准确地测出该电阻的阻值，备选器材有
A、电源（电动势16V、内阻2Ω）
B、电源（电动势3V、内阻0.5Ω）
C、伏特表（量程0～15V、内阻50KΩ）
D、伏特表（量程0～3V、内阻10KΩ）
E、安培表（量程0～500μA、内阻500Ω）
F、安培表（量程0～1mA、内阻250Ω）
G、滑动变阻器（阻值0～200Ω、额客电流0.5A）
H、滑动变阻器（阻值0～5Ω、额定电流2A）
试从上述器材中选出合适器材，并画出电路图。
③从任意一个器材入手
例8、实验室有下列器材：
A、电流表（满偏电流100μA，内阻1.5KΩ）
B、电流表（满偏电流1mA，内阻1KΩ）
C、变阻器（阻值范围0～300Ω）
D、变阻器（阻值范围0～800Ω）
E、电池（电动势1.5V、内阻不计）
F、电池（电动势9V、内阻不计）
现要用上述器材装一只简单的欧姆表，问电流表、变阻器、电池应如何选择？
解答：最简单欧姆表由电流表、变阻器和电池串联而成。它具有的基本功能是：两表笔短接时能进行调零，即调节变阻器，能使电流表指针指在满偏电流刻度（或0欧刻度）外。下面从任意一个器材（如电流表A）入手分析欧姆表能否调零。
假若电流表选A、变阻器选C、电池选E表笔短接时，调节变阻器，电流表的电流最大值为
，而电流表A的满偏电流100μA不在833μA～1μA范围内，欧姆表无法调零，故A、C、E的选择错误。
同理，A、C、F，A、D、F，B、C、E，B、C、F，B、D、F的选择都有误，正确的选择是B、D、E。
关于电学实验线路和器材的选择问题，综合性较强，要求的能力较高，有时要先考虑线路选择而后考虑器材选择，有时要先考虑器材选择而后考虑线路选择，更多的时候要求线路和器材的选择同时交叉进行。实际遇到具体问题时要具体分析，区别对待。