电学实验设计的原则及其应用，本文主要内容关键词为：电学论文,及其应用论文,原则论文，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。
电学实验设计是高中学生必须掌握的重要内容之一，滑线变阻器的使用在实验设计中往往又处于关键的地位，是实验练习中最难掌握的两部分内容。它们难在学生解决这类问题时往往感到不知从何入手，笔者从教学实践中体会到：要让学生能解决问题，首先应引导学生懂得实验设计原则。
中学电学实验设计的原则，说法不一，我认为一般可归纳为四个原则，要求做到所设计的线路尽可能达到：安全、精确、方便、经济。首先，安全是实验设计中的第一原则，其次注意实验结果要精确，误差要小；第三要考虑控制、调整、计算是否方便；最后考虑节省器材，有节约能源和材料的意识，使实验尽可能经济些。下面先就一道例题谈谈实验设计四原则的具体应用，然后再讨论关于滑线变阻器的使用。
[例1]测量某未知阻值电阻R[,x]的值。已知R[,x]约为5欧左右。下表给出可供选择器材。请画出你所设计的实验原理图，并表明所选器材的规格或代号。
备注：另有导线若干，各器材数目均只一个。
方案一：应用伏——安法测电阻（见图1）
是选R[,2]，还是选R[,1]，就是出于对实验安全方面的考虑。R[,2]与G表，可改装出3伏左右的伏特表；R[,1]与G表，只能改装出0.3伏左右伏特表，这样小的伏特表既不能安全实验，也不能进行精确测量。
安培表外接而不内接，是出于对实验结果精确程度的考虑，因为改装后的伏特表内阻远大于R[,x]，这样测量系统误差较小。选A[,1]表，而不选A[,2]表是出于精确读数的考虑。A[,1]、A[,2] 诚然都能满足安全之要求，但小量程表读数相对误差要小得多，显然这是精确原则的应用。
R[,3]作为控制线路的主元件，其控制电压方便与否，与R[,3]、R[,x]值相对大小有关。当两电阻相近时，为了线路简单、经济，控制电路适宜用限流器式，这是主要出于实验操作是否方便的考虑。
方案二：应用全电路欧姆定律测电阻（见图2）
接着去掉短路线，可得I[,2]，同理得：
ε＝I[,2]（r＋R[,1]＋R[,x]＋R[,A]）可求R[,x]。
讨论：用R[,1]为何不用R[,2]？显然考虑了测量方便问题。是方便原则的应用。因为R[,1]调节时能用到0.1欧变化，对电流调整是有利的。图2设计较图1，主要考虑了节省器材原则，这也可以说是经济原则的应用。
方案三：欧姆表原理测电阻（见图3）
原理：先让ab短路，调R[,1]使A[,1]满偏，此时内阻为5欧。 去掉短路线，接通K，测得I，则依据欧姆表原理，R[,x]值为（ε／I ）－5。
讨论：用A[,1]不用A[,2]或G，主要考虑了测量结果的精确问题。 若用A[,2]改装为欧姆表，其中值电阻为1欧；若用G改装为欧姆表， 其中值电阻为10K欧，与待测电阻比较，测量误差太大。 欧姆表特点是当测量值在欧姆表中值电阻附近时，其读数（或测量结果）比较准确。这是精确原则的应用。当然整个方案三操作上是很方便的，但对实验原理的要求较高。
方案四：用半偏法测电阻（见图4）
方案4的最大缺点是使用器材多，但操作简便，可靠。方案4用分压器或控制线路，而不用限流器式控制线路，主要是考虑了控制部分电阻R[,3]较小。用分压器式电路既可以保护电流表G（安全原则），又能方便调节电压（方便原则），实验结果也较精确。关于分压器式线路和限流器式的应用，笔者在以下部分想用较多的篇幅进行说明，这是关于电学实验设计原则应用的进一步论述，同时也是对例1 方案四的解释的一个补充。
滑线式变阻器（见图5）是常用的基本电学仪器之一， 准确掌握它的使用方法是中学生能否顺利进行各种电学实验的一个重要方面。能否准确选择线路和器材，是实验操作能否成功的关键因素之一。
滑线变阻器在电学实验中最常见的是起提供可变电压的作用，常用线路有两种：俗称为分压器式线路和限流器式线路。如图6：
实验方便与否与学生能否根据题设条件，准确选择何种控压线路有很大关系，同时对实验是否安全，精确的进行有很大影响。
现在我们就一个实验问题进行讨论。
[例2]已知待测电阻R[,x]为9000欧姆左右，用6 伏直流电源（内阻不计）和电压表电流表（两表量程均合适），阻值R＝200欧姆的滑线变阻器一个及电键导线等，请用伏安法测出电阻的阻值。
首先你会根据所测的阻值比电流表内阻大很多的特点而选用安培表内接法测电阻，当使用滑线电阻器提供可变电压时，你很可能采用限流器式电路，如图7所示。
这时你可能没有估计到这种电路对你所要进行的实验将带来很大不便。为什么这样说呢？因为在R[,x]上得到电压只能从R[,x]／（R[,x] ＋R）。ε＝（9×10[3]）／（9×10[3]＋200）×6＝5.87伏到6伏之间，变化的范围只有0.13伏特。显然是不利于你要在较大范围内取几组不同的电压和电流值来求电阻的平均值，以便减少偶然误差，也就是说这样做是不符合实验要求的。
同样的器材若采用分压器式电路图8所示。R[,x]上电压变化范围是0～6伏，对于实验中要取几组不同的电压，其方便是可想而知的。显然这样做符合方便原则，当然也提供了精确测定电阻的条件，使实验能顺利进行。
是否分压器式接法一定就好？那也不一定。下面我就这个问题进行讨论。
限流器接法调压范围是R[,x]／（R[,x]＋R）ε～ε， 可以把它改写为1／（1＋（R／R[,x]））·ε～ε，从上式可以看出，当R[,x]远小于R时调压的下限可以很小，这时调压范围也是很宽的。在R[,x]一定时，R越大调压的范围也越宽。当然由于串联上大电阻R之后，通过用电器R[,x]的电流将减少，所以还要考虑用电器R[,x]的功率是否得到满足。在用电器R[,x]的功率能够得到满足的前提下，如增加调压范围应尽可能采用较大阻值的滑线变阻器。当然R[,x]远小于R时，调压是很不方便的，这一点要特别注意。
分压式接法调压范围与R[,x]和R的阻值大小无关，他们均为0 ～ε，调压范围宽这是没有疑义的。但是，当我们采用不同阻值的R[,x]和R多次进行实验就会发现另外一个问题。
下面是我做过的一次实验情况，采用图9所示的电路， R[ ,x] 为J2361型电阻箱，伏特表用学生万用示教电表10伏特，R为滑线式变阻器，总阻值为200欧姆，滑线AB间总长度为20厘米， 电源用学生实验用的蓄电池，电动势为6伏，当R[,x]取2欧姆时进行调压实验， 实验开始滑动触头从A向B端移动，开头移动一段距离电压表指针几乎不动，移动到AC距离达15厘米，电压仅上升0.1伏。可是从15厘米到20 厘米这一段电压上升很快，越到后面上升越快，由于各种不同电压位置密集对于逐渐调压造成相当大的困难。
为什么会出现这种奇异的特性呢？让我们从理论进行分析。当滑动触头C从A向B移动过程，R[,x]上所得到的电压可用下式表示。
如图线（IV）所示，前面提到的实验R[,x]＝2欧姆，R＝200欧姆，R[,x]＝（1／100）R，U[,x]随R[,AC]的变化图线，应在图形（IV）之下方，难怪它在调压过程有那种奇异的特性了。
从U[,x]随R[,AC]的变化图象的分析比较可以得出这样的结论， 要想在移动滑动触头过程电压较为均匀地上升，R[,x]阻值应比R阻值大得多，在R[,x]一定时R越小调压线越好，也就是说调压越方便。一般取R[,x]＝R到R[,x]＝10R就能满足要求。若R取值过小，通过R的电流就很大，这时电源的功耗就大，也是不合算的，这不符合经济原则。笔者通过实验与理论得出结论：当待测电阻R[,x]远小于控制电阻R时，不管是分压器控压线路，还是限流器控压电路，调压都不方便。以上结论帮助读者了解了例1方案一为何用限流器式电路，而例1方案四又要用分压器式电路。
以上所举例子是笔者在长期物理教学中发现的高中学生很难做好的设计题，当然从上述几个例子可以看出，安全、精确、方便、经济在实验设计中是互相联系的，不能简单分割。这也就是这部分教学的困难所在。因此，笔者体会到，要教给学生实验设计的原则，使学生在进行实验设计时能有的放矢。这既有利于学生理论联系实际，理论指导实际，又培养了学生良好的物理素质，对于倡导素质教育是十分有好处的。
当前存在的问题是，实验设计题在高考中，在一般练习中随处可见，而设计原则都没有权威性说法，希望能借本文呼吁同行能认真对待这一问题。
本文结论：
（1）电学实验设计必须明确告诉学生四个原则， 并作为实验设计时理论指导。
（2）滑动变阻器的使用， 必须明确分压器和限流器两种情况对“方便”原则的影响，并注意方便、有效使用的条件。
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