摘 要：“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验在高中物理实验教学中起至关重要的作用，但实验操作过程中出现的几个问题给实验教学造成了很大困扰。本文作者根据自己的实验心得，对该实验过程中的几个常见问题进行了论述。
关键词：小灯泡伏安特性曲线 滑动变阻器 实验电路 内外接法
“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验是在初中“用电压表和电流表测导体的电阻”实验的基础上，通过改变滑动变阻器滑片位置，达到了采集更多的实验数据，并描绘伏安特性曲线来研究钨丝灯泡在某一电压变化范围内阻值的变化，从而了解其导电性能。该实验是高中物理最重要的电学实验之一，为高中后续电学实验奠定基础，因此，做好这一承上启下的实验，在高中物理实验教学中显得至关重要。但实验操作过程中出现的几个问题给实验教学造成很大困扰，以至于当这些问题以考题形式出现在试卷上的时候，学生也一筹莫展。
据此，作者结合自身的实验教学心得，对该实验过程中关于滑动变阻器接法及规格的选择、电流表接法的选择以及由此造成的系统误差分析，还有实验操作过程中容易忽视或者犯错的地方进行论述。
一、滑动变阻器接法及规格的选择
本实验中滑动变阻器的应用主要涉及两个方面：
一是滑动变阻器的接法。
二是滑动变阻器的规格选取。
滑动变阻器接入电路有两种方式，即限流式接法与分压式接法，如图1。相比较而言，限流式接法电路结构简单，并且在满足负载需要的情况下，限流式电路消耗的总功率小，电源负担轻。但基于描绘小灯泡伏安特性曲线时，要求电压值从零开始调整，而这正是限流式接法所不能实现的。故此，本实验滑动变阻器选用分压式接法，使得待测电阻两端电压可用的变化范围更大。
另外，在这个实验中，采用分压式接法的滑动变阻器的规格的选取要从以下几方面考虑：
第一，杜绝阻值越小越好的惯性思维，必须注意变阻器自身安全。
第二，考虑电路中各电表的量程。
二、伏安法测电阻的两种接法及造成的系统误差
伏安法测电阻的两种接法——电流表内、外接法，如图2。在“描绘小灯泡伏安特性曲线”这个实验中，电路到底该选用哪种连接方式？相当一部分学生在实验教学过程中没有弄清楚其中的原理，以至于一段时间过后，当该类问题以习题形式出现进行考查时，学生又没有十分的把握。
一般情况解决物理电学问题的时候都会把电流表、电压表近似为理想电表，即电流表内阻RA=0做短路处理，电压表内阻RV=∞做开路处理，而实际上并非如此。因此，电表的理想化近似处理必然给实验测量结果造成误差。电流表内接法中，电流表和待测电阻串联，因此电流表示数就是通过电阻的电流，但电流表阻值虽小，可它还是分得了一部分电压，电压表示数就是待测电阻和电流表的电压之和，故测得的待测电阻的电压值比实际值偏大。根据欧姆定律R= 知，待测电阻的测量值比真实值大，内接法测出的电阻值是待测电阻和电流表内阻串联的阻值。电流表外接法，电压表和待测电阻并联，因此电压表的示数就是电阻两端的电压，但电压表电阻很大，可是它还是分得了很小的一部分电流，即电流表的示数就是通过待测电阻和电压表的电流之和，故测得的待测电阻的电流值比实际值偏大。根据欧姆定律R= 知，待测电阻的测量值比真实值小。
上文已经指出，内、外接法都存在系统误差。那么，在“描绘小灯泡伏安特性曲线”这个实验的实际操作中，我们应该如何选择才能使得误差更小呢？对于电流表内接法而言，误差是电流表的分压作用引起的，由串联电路的分压分配与电阻成正比可知，当RA<<RX时，电流表的分压作用很小，可忽略不计，所以对于较大电阻应采用内接法电路。而对于电流表外接法而言，误差是电压表的分流作用引起的，由并联电路中分流分配与电阻成反比可知，当RX<<RV时，电压表的分流作用很小，可忽略不计，所以对于较小电阻应采用外接法电路。
接下来，如何确定RX的值是较大还是较小呢？如果 = ，即RX= RARV，则电压表的分流作用和电流表的分压作用对测量结果的影响是相同的，此时所对应的电阻值常称为临界电阻，电路即可选择“内接法”也可选择“外接法”。当RX< RARV时，电流表的分压作用较电压表的分流作用明显，应采用外接电路；当RX> RARV，电压表的分流作用较电流表的分压作用更明显，应采用内接电路。
三、实验操作需要注意的几个地方
明确了以上两个分电路的连接方式，“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验电路图如图3所示，对应的实物图如图4。在实验实际操作过程中，总会出现一些无法预料的情况。
第一，任何实验操作前，老师们都会认真贯彻安全操作要求。故此，该实验要求连接电路时，开关保持“断开”状态；完成电路连接，合上开关之前，滑动变阻器滑片所在位置必须保证并联部分阻值最小，如图4中A端，使得加在测量电路两端的电压一开始就是零。但每次实验，总会有实验小组的灯泡被烧损，可能的原因之一就是错误判断滑动变阻器的并联部分，导致加在测量电路两端的电压一开始就是最大值（本实验中学生电源选择4V的直流输出，比我们所用的小灯泡的额定电压3.8V大的并不多，但由于电路接通时瞬时电流很大，灯泡极易烧坏。）
第二，实验操作开始之际，闭合开关，发现电流表、电压表有示数，但小灯泡并没有发光，部分学生对此不能做出正确解释，认为实验电路有问题或者小灯泡已被烧毁。事实上，实验开始之际，小灯泡是在很小电压条件下工作，流经小灯泡的电流也很小，此时所产生的热效应不足以发光。如果滑动滑动变阻器滑片，随着加在小灯泡两端的电压的逐渐增大，一定程度时小灯泡会发光，之后会逐渐由暗变亮。
第三，如果实验过程中，电流表有示数，而电压表无实数，应该检查连接电压表的导线，或者检查电压表正负极的接连情况；如果电压表有示数，而电流表无示数，应检查小灯泡与灯座是否接触良好，或者检测小灯泡的灯丝是否已被烧断；如果电压表和电流表都没有示数，则需要借助学生多用电表检测电路各处接连是否良好，不要一味的认为出现电表无示数就是电表已坏的结果。
第四，多年实验室管理工作中，作者发现，除了实验技能欠缺会导致以上所述的情况，另外，不管老师还是学生，造成他们实验操作失败的原因还有一个——粗心。比如，连接如图4所示的电路时，错将滑动变阻器A端与电源“+”极相接，合上电键，任意移动滑动变阻器的滑片都不能使小灯泡完全熄灭。这种情况的出现每一届每一个班都有可能，但不是所有的科任老师都能帮助学生排查出问题的。
论文作者:王 静
论文发表刊物:《教育学文摘》2015年9月总第168期供稿
论文发表时间:2015/9/25
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